[论文解读] Semi-quantum Gravity and Testing Gravitational Bell Non-locality

Adrian Kent|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2018

Quantum Mechanics and Applications参考文献 25被引用 4

一句话总结

本文探讨了半量子引力模型，其中引力保持经典，而物质在量子力学下单位演化，提出心理物理平行性——将意识与物理状态关联——可能适用于经典引力场而非量子物质。该文认为，此类模型可预测可通过低能实验测量引力贝尔非局域性的非牛顿引力异常。

ABSTRACT

Semi-classical gravity attempts to define a hybrid theory in which a classical gravitational field is coupled to a unitarily evolving quantum state. Although semi-classical gravity is inconsistent with observation, a viable theory of this type might be appealing, since it potentially might preserve the basic features of our two most successful theories while unifying them. It might also offer a natural solution to the quantum measurement problem. I explore the scope for such "semi-quantum" hybrid theories, and note some interesting, though daunting, constraints. Consistency with observation generally requires pyschophysical parallelism with the classical gravitational field rather than the quantum matter. Solvability suggests the gravitational field at a point should be determined by physics in its past light cone, which requires local hidden variables and predicts anomalously non-Newtonian gravitational fields. These predictions could be tested by low energy, although technologically challenging, experiments in which the Bell non-locality of the gravitational field is verified by direct measurement.

研究动机与目标

• 调查引力为经典但物质在量子力学下单位演化的混合理论的可行性。
• 检验心理物理平行性是否可应用于经典引力场而非量子物质，从而为量子测量问题提供潜在解决方案。
• 识别可测试的预测——特别是由局域隐变量引起的异常引力场——以区分此类理论与标准半经典引力。
• 提出可行的实验路径，通过低能、技术挑战性设置测试引力贝尔非局域性。
• 评估在幺正量子演化背景下，局域隐变量引力模型在概念和经验上的一致性。

提出的方法

• 形式化一种混合理论，其中时空点P处的引力场由其过去光锥Λ(P)内的物理决定，要求局域隐变量。
• 采用假设：引力场不由量子物质的期望值源起，而是由与观察者体验通过心理物理平行性相关联的经典场源起。
• 利用埃弗雷特量子力学框架分析单一经典时空如何从多个量子分支中涌现。
• 推导出由局域隐变量引起的非牛顿引力场的预测，即使在低能区域亦然。
• 提出可通过测量纠缠量子系统间引力场的相关性，直接测试引力贝尔非局域性。
• 通过分析时空结构与量子分支结构之间的相互依赖性，评估此类模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 若心理物理平行性应用于引力场而非量子物质，是否可使具有经典引力和幺正量子物质的混合理论与观测一致？
• RQ2 半量子引力模型相较于标准半经典引力，其可测试预测为何？
• RQ3 引力场中的局域隐变量是否可在低能区域导致牛顿引力的可测量偏离？
• RQ4 是否可通过直接测量引力相关性，实验验证引力贝尔非局域性？
• RQ5 分支结构与时空依赖性带来的概念挑战如何影响混合引力模型的一致性？

主要发现

• 假设心理物理平行性与经典引力场相关联而非量子物质的半量子引力模型，可与观测一致，为解决量子测量问题提供潜在途径。
• 此类模型预测，即使在引力通常为牛顿定律的区域，也会因局域隐变量而产生异常的非牛顿引力场。
• 某点P处的引力场由其过去光锥内的物理决定，意味着具有因果性和局域性的结构，要求隐变量并违背标准半经典预期。
• 这些模型预测了与标准引力的可测量偏离，可通过探测引力贝尔非局域性的低能实验进行检验。
• 尽管尚未识别出具体的引力局域隐变量模型，但该框架具有可实验检验性，未来实验可能将其证伪。
• 本文认为，尽管此类混合理论在概念上不够优雅，但其在逻辑上是一致的，且可能为统一量子力学与引力提供一条可行路径，而无需要求引力被量子化。