[论文解读] Quantum objects as elementary units of causality and locality

Hans H. Diel|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2016

Quantum Mechanics and Applications参考文献 9被引用 8

一句话总结

本文提出量子物体——受量子理论与量子场论支配的粒子集合——作为量子理论局部因果模型中因果性与局域性的基本单元。通过将量子物体视为具有自身本征时间驱动内部动力学的自主系统，该模型将非局域性限制在内部状态跃迁中，同时保持相对论性的全局相互作用，从而解决了局域性与量子纠缠之间的矛盾。

ABSTRACT

The author's attempt to construct a local causal model of quantum theory (QT) that includes quantum field theory (QFT) resulted in the identification of "quantum objects" as the elementary units of causality and locality. Quantum objects are collections of particles (including single particles) whose collective dynamics and measurement results can only be described by the laws of QT and QFT. Local causal models of quantum objects' internal dynamics are not possible if a locality is understood as a space-point locality. Within quantum objects, state transitions may occur which instantly affect the whole quantum object. The identification of quantum objects as the elementary units of causality and locality has two primary implications for a causal model of quantum objects: (1) quantum objects run autonomously with system-state update frequencies based on their local proper times and with either no or minimal dependency on external parameters. (2) The laws of physics that describe global (but relativistic) interrelationships must be translated to a causal model of interactions between quantum objects and interactions between quantum objects and the space.

研究动机与目标

• 通过将局域性重新定义为超越空间点局域性的形式，解决局部因果性与量子纠缠之间的不相容性。
• 构建一个与相对论在全局层面保持一致的量子理论与量子场论（QFT）的局部因果模型。
• 通过引入作为基本实体的自主量子物体，弥补标准量子理论中的已知缺陷。
• 提供一个因果框架，其中非局域性被限制在量子物体内部，同时在物体之间的相互作用层面保持局域性。
• 探讨量子物体对黑洞与场的影响，特别是其对时空结构与场动力学的影响。

提出的方法

• 定义一个包含三个组成部分的物理因果模型：物理引擎、物理定律与系统状态，其中状态更新以离散时间步长进行。
• 引入量子物体作为粒子聚集体，其内部动力学由量子理论与QFT支配，通过各自的物理引擎实现自主演化。
• 将量子物体建模为自包含系统，其内部状态跃迁可能具有非局域性，但被限制在物体内部，避免在物体间相互作用中出现非局域性。
• 将空间表示为动态流形，其演化基于嵌入其中的量子物体的能量-质量分布，场被映射到空间，并由全局物理引擎更新。
• 区分量子物体内部的动力学（非局域但自主）与外部相互作用（局域、相对论性），确保全局因果性。
• 将该模型应用于黑洞与场，将黑洞视为束缚态量子物体，将场视为嵌入空间的组成部分而非量子物体。

实验结果

研究问题

• RQ1 如果将局域性重新定义为超越空间点局域性的形式，能否构建一个量子理论与量子场论的局部因果模型？
• RQ2 如何将量子纠缠中的非局域性限制在内部动力学中，而不违反相对论因果性？
• RQ3 本征时间与自主演化在量子物体中扮演什么角色？其对内部状态跃迁有何影响？
• RQ4 量子物体如何与空间和场相互作用？其能量-质量分布如何动态决定时空结构？
• RQ5 黑洞能否被解释为量子物体？这对黑洞蒸发与信息丢失问题有何影响？

主要发现

• 量子物体被识别为量子理论与QFT的局部因果模型中因果性与局域性的基本单元。
• 量子物体内部的非局域状态跃迁是允许且被限制的，当假设其自主性时，可实现一致的局部因果模型。
• 量子物体以系统状态更新频率基于其自身本征时间的方式自主演化，最大限度减少对外部依赖。
• 空间的全局结构由量子物体的能量-质量分布动态决定，与广义相对论一致。
• 黑洞可被解释为束缚态量子物体，表明其并非奇点，而是时空的基本单元。
• 场不被视为量子物体，而是作为映射到空间的状态分量，由全局物理引擎更新，从而保持内部与外部动力学的区分。