[论文解读] The Universal Arrow of Time II: Quantum mechanics case

Oleg Kupervasser|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2011

Quantum Mechanics and Applications参考文献 23被引用 3

一句话总结

本文将时间之箭的普遍概念扩展至量子力学，表明在弱子系统相互作用及观测者无法在内省过程中观察到熵减少的条件下，封闭量子系统中的热力学时间之箭会趋于一致。该研究通过退相干和时间不对称观测，统一了多世界诠释与哥本哈根诠释，解决了量子力学中的基础性悖论，如波函数坍缩、温伯格的友人思想实验以及测量问题。

ABSTRACT

This paper is a natural continuation of our previous paper arXiv:1011.4173 . We illustrated earlier that in classical Hamilton mechanics, for overwhelming majority of real chaotic macroscopic systems, alignment of their thermodynamic time arrows occurs because of their low interaction. This fact and impossibility to observe entropy decrease at introspection explain the second law of thermodynamics. The situation in quantum mechanics is even a little bit easier: all closed systems of finite volume are periodic or nearly periodic. The proof in quantum mechanics is in many respects similar to the proof in classical Hamilton mechanics - it also uses small interaction between subsystems and impossibility to observe entropy decrease at introspection. However, there are special cases which were not found in the classical mechanics. In these cases one microstate corresponds to a set of possible macrostates (more precisely, their quantum superposition). Consideration of this property with use of decoherence theory and taking into account thermodynamic time arrows will introduce new outcomes in quantum mechanics. It allows to resolve basic paradoxes of quantum mechanics: (a) to explain the paradox of wave packet reduction at measurements when an observer is included in the system (introspection) (paradox of the Schrodinger cat); (b) to explain unobservability of superposition of macroscopic states by an external observer in real experiments (paradox of Wigner's friend); (c) to prove full equivalence of multi-world and Copenhagen interpretations of quantum mechanics; (d) to explain deviations from the exponential law at decay of particles and pass from one energy level to another (paradox of a kettle which will never begin to boil).

研究动机与目标

• 将时间之箭的普遍概念从经典力学扩展至量子力学。
• 解释尽管存在周期性，热力学时间之箭如何在量子系统中出现。
• 通过内省与退相干，解决基础性量子悖论（如薛定谔的猫、温伯格的友人思想实验）。
• 证明多世界诠释与哥本哈根诠释在量子力学中具有等价性。
• 解释量子跃迁中偏离指数衰变定律的现象。

提出的方法

• 通过子系统之间的弱相互作用，将经典时间之箭一致性的证明方法适配至量子系统。
• 应用熵减少在内省过程中无法被观测的原则，以强制实现时间不对称性。
• 利用退相干理论解释量子叠加态向类经典宏观态的转变。
• 分析具有有限体积的系统，其中所有状态均为周期性或近乎周期性，以推导出时间不对称行为。
• 引入一种形式体系，使得单个微观态可对应多个宏观态的叠加，从而实现时间之箭的解决。
• 将热力学时间之箭与量子测量理论相结合，以解决依赖于观测者的悖论。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管具有内在周期性，热力学时间之箭如何在量子系统中出现？
• RQ2 为何宏观态叠加在实践中不可观测，即使其在理论上是允许的？
• RQ3 当观测者本身是量子系统的一部分（即内省）时，测量问题能否得以解决？
• RQ4 在时间不对称观测的背景下，多世界诠释与哥本哈根诠释之间存在何种关系？
• RQ5 量子跃迁中为何会出现偏离指数衰变定律的现象？'永远烧不开的水壶'悖论又如何解释？

主要发现

• 在量子力学中，由于弱相互作用以及在内省过程中熵减少无法被观测，子系统之间的热力学时间之箭趋于一致。
• 当观测者被纳入系统时，波函数坍缩的悖论得以解决，因为退相干阻止了宏观叠加态的可观测性。
• 宏观叠加态不可观测性（温伯格的友人悖论）可通过观测的时间不对称性与退相干得到解释。
• 当正确考虑时间不对称观测与退相干时，多世界诠释与哥本哈根诠释被证明是完全等价的。
• 偏离指数衰变定律的现象，可通过热力学时间之箭的时间不对称对齐及量子叠加态的结构得到解释。
• 本文提供了一个一致的框架，使量子力学与热力学通过普遍时间之箭相协调，即使在有限体积系统中亦成立。