[论文解读] Quantum field theory solves the problem of the collapse of the wave function

Alexey V. Melkikh|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2013

Quantum Mechanics and Applications参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文提出，量子力学中波函数的坍缩可自然地从量子场论（QFT）中的粒子产生或湮灭过程衍生而来，这些过程为系统引入了非线性。与标准量子力学不同，QFT 的非线性动力学——源于场的相互作用——自然地解释了波函数坍缩，而无需假设独立的测量过程，从而解决了量子理论中长期存在的基础性问题。

ABSTRACT

The problem of measurement in quantum mechanics is that the quantum particle in the course of evolution, as described by the linear Schrodinger equation, exists in all of its possible states, but in measuring, the particle is always detected in only one of its states. This property is called the "collapse of the wave function" and was formulated by Von Neumann as one of the postulates of quantum mechanics. However, it remains unclear at what point in time and under what laws this transition occurs. This article demonstrates that the collapse of the wave function may be due to the creation or annihilation of particles (quasi-particles). The processes of the creation or annihilation of particles play a key role in the measurements and are described on the basis of quantum field theory. The system of equations of quantum field theory of particles and fields is non-linear; as a result, the principle of superposition does not hold for the theory. The collapse of the wave function is a consequence of this non-linearity and occurs at the moment of creation (annihilation) of a particle. This result demonstrates that the wave function collapse can occur in both microscopic and macroscopic systems. Understanding the mechanisms of the collapse of the wave function can lead to the creation of microscopic devices involved in the calculations based on quantum computing.

研究动机与目标

• 解决量子力学中波函数坍缩的基础性问题。
• 解释为何在测量过程中，态的叠加会坍缩为单一确定结果。
• 证明坍缩并非一个假设，而是量子场论中非线性动力学的自然结果。
• 表明该坍缩机制适用于微观与宏观系统。
• 为基于内在坍缩机制的量子计算设备建立理论基础。

提出的方法

• 本文使用包含粒子产生与湮灭算符的方程，形式化了量子场的动力学。
• 在相对论性量子场论的框架下分析系统的演化，其中相互作用导致非线性运动方程。
• 场方程中的非线性破坏了叠加原理，这是波函数坍缩的关键。
• 证明坍缩恰好发生在粒子产生或湮灭的瞬间，因为这些过程本质上是非线性的。
• 该方法通过从场论内部动力学推导出坍缩，避免了对外部测量假设的需求。
• 该模型被应用于基本粒子与准粒子，显示出广泛的适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不假设独立测量过程的前提下，解释波函数的坍缩？
• RQ2 粒子的产生与湮灭在从叠加态过渡到确定态的过程中起什么作用？
• RQ3 量子场论的非线性如何导致叠加原理的破坏，从而引发波函数坍缩？
• RQ4 该坍缩机制是否适用于宏观系统，而不仅限于微观系统？
• RQ5 该机制能否为依赖内在坍缩动力学的量子计算设备提供理论基础？

主要发现

• 波函数坍缩并非外部假设，而是量子场论非线性动力学自然涌现的结果。
• 识别出粒子的产生与湮灭过程是触发波函数坍缩的物理机制。
• 场相互作用引入的非线性破坏了叠加原理，从而导致坍缩。
• 坍缩恰好发生在粒子产生或湮灭的时刻，提供了清晰的物理机制。
• 该机制具有普遍适用性，包括宏观系统，从而在全尺度上解决了测量问题。
• 该框架为设计依赖内在坍缩过程的量子计算设备提供了理论基础。