量子力学において無矛盾歴史英語:consistent histories[1]もしくはdecoherent histories[2])のアプローチは、現代的な量子力学の解釈を与え、従来のコペンハーゲン解釈を一般化し、量子宇宙論の自然な解釈を提供することを目的としている[3]。この量子力学の解釈は無矛盾基準に基づいており、これにより系の代替の歴史に確率が割り当てられ、各歴史の確率がシュレーディンガー方程式と矛盾を起こさず古典的な確率法則に従う。量子力学のいくつかの解釈、特にコペンハーゲン解釈とは対照的に、枠組みに物理過程の関連する説明として「波動関数の崩壊」が含まれておらず、測定理論は量子力学の基本的要素ではないことを強調している。

量子力学
不確定性原理
序論英語版 · 数学的定式化

歴史編集

同質歴史(homogeneous history) (ここで   は異なる歴史を示す)は異なる瞬間 (ここで は時間を示す)で指定された命題   の連鎖である。これは

 

と書き、「命題   で真であり、そして命題   で真であり、そして 」と読むことができる。時間 は厳密な順序があり、歴史の時間的支持(temporal support)と呼ばれる。

非同質歴史(inhomogeneous history)は、同質歴史では表現できない複数時間の命題である。例えば、2つの同質歴史の論理OR  である。

これらの命題は全ての可能性を含むあらゆる質問に対応することができる。例えば、「電子が左のスリットを通過した」、「電子が右のスリットを通過した」、「電子がどちらのスリットも通過しなかった」という3つの命題が考えられる。理論の目的の1つは「私の鍵はどこにあるのか?」などの一貫性のある古典的な質問を示すことである。この場合、それぞれ小さな空間領域で鍵の位置を指定する多数の命題を使うと考えられる。

それぞれの単時間命題   は系のヒルベルト空間に作用する射影作用素   で表すことができる(作用素であることを表すためハットを用いる)。そして、単時間の射影作用素の時間順の積により同質歴史を表すのが有用である。これはChristopher Ishamにより開発された歴史射影作用素(history projection operator, HPO)形式であり、自然に歴史命題の論理構造をエンコードする。

無矛盾性編集

無矛盾歴史のアプローチの重要な構成は、同質歴史に対するクラス作用素である。

 

記号   は積の因数が の値に従って時系列に並べられていることを示す。 の値が小さい「過去」の演算子は右側に表示され、 の値が大きい「未来」の演算子は左側に表示される。この定義は、非同質歴史にも拡張できる。

無矛盾歴史の中心は無矛盾性の概念である。一揃いの歴史  

 

(for all  )である場合、無矛盾(あるいは強く無矛盾)である。ここで   は初期密度行列を表し、演算子はハイゼンベルク描像で表される。


 

(for all  )である場合は、弱く無矛盾となる。

確率編集

一揃いの歴史が無矛盾である場合、確率を無矛盾な方法で割り当てることができる。歴史   が同じ(強く)無矛盾な一揃いの歴史に由来する場合、歴史  確率を単に

 

と確率の公理に従うと仮定する。

例としては、このことは"  OR  "の確率は、" "の確率+" "の確率-"  AND  "の確率であることなどを意味する。

解釈編集

無矛盾歴史に基づく解釈は、量子デコヒーレンスに関する洞察と組み合わせて使われる。量子デコヒーレンスは、不可逆的な巨視的現象(よって全ての古典的な測定)が歴史を自動的に無矛盾なものにすることを暗に含んでおり、これらの測定結果に適用すると古典的推論と「常識」を取り戻すことができる。デコヒーレンスをさらに正確に分析することにより、(原理として)古典的な領域と量子的な領域の共分散の間にある境界の定量的な計算が可能となる。Roland Omnèsによると[4]

[the] history approach, although it was initially independent of the Copenhagen approach, is in some sense a more elaborate version of it. It has, of course, the advantage of being more precise, of including classical physics, and of providing an explicit logical framework for indisputable proofs. But, when the Copenhagen interpretation is completed by the modern results about correspondence and decoherence, it essentially amounts to the same physics.

[... There are] three main differences:

1. The logical equivalence between an empirical datum, which is a macroscopic phenomenon, and the result of a measurement, which is a quantum property, becomes clearer in the new approach, whereas it remained mostly tacit and questionable in the Copenhagen formulation.

2. There are two apparently distinct notions of probability in the new approach. One is abstract and directed toward logic, whereas the other is empirical and expresses the randomness of measurements. We need to understand their relation and why they coincide with the empirical notion entering into the Copenhagen rules.

3. The main difference lies in the meaning of the reduction rule for ‘wave packet collapse’. In the new approach, the rule is valid but no specific effect on the measured object can be held responsible for it. Decoherence in the measuring device is enough.

完全な理論を得るためには、上記の正式な法則に特別なヒルベルト空間ハミルトニアンなどの力学を支配する法則を加える必要がある。

ある意見では[5]、無矛盾歴史の集合が実際に起こるかどうかについての予測は不可能であるため、これは未だ完全な理論を作らない。これは無矛盾歴史、ヒルベルト空間の規則であり、ハミルトニアンはセットになった選択則で補う必要がある。しかし、グリフィスはどのセットの歴史が「実際に起こるか」という質問をすることは、理論の誤った解釈であるという意見を持っている[6]。歴史は現実を説明するための道具であり、分離した代替の現実ではない。

この無矛盾歴史の解釈の支持者であるマレー・ゲルマン、James Hartle、Roland Omnès、ロバート・グリフィスなどは彼らの解釈が古いコペンハーゲン解釈の基本的な欠陥を明らかにし、量子力学の完全な解釈のフレームワークとして使うことができると主張している。

Quantum Philosophyにおいて、Roland Omnèsはこれと同じ形式主義を理解する数学的方法をあまり提供しない。無矛盾歴史のアプローチは、量子システムのどの性質を単一のフレームワークで処理できるか、どの性質を異なるフレームワークで処理しなくてはならないのか、単一のフレームワークに属しているかのように組み合わせた場合、どの性質が無意味な結果を作り出すのかを理解する方法と解釈することができる。したがって、なぜJ・S・ベルが仮定した特性を一緒に組み合わせることができるかできないのかを正式に実証することが可能になる。一方で、古典的で論理的な推論が量子実験にも適用できることを実証することも可能になったが、そのような推論がどのように適用できるのかについて数学的に正確なものになった。

関連項目編集

脚注編集

  1. ^ Griffiths, Robert B. (1984). “Consistent Histories and the Interpretation of Quantum Mechanics”. J. Stat. Phys. 35: 219. 
  2. ^ Griffiths. “The Consistent Histories Approach to Quantum Mechanics”. Stanford Encyclopedia of Philosophy. Stanford University. 2016年10月22日閲覧。
  3. ^ Dowker, F.; Kent, A. (1995). “Properties of Consistent Histories”. Phys. Rev. Lett. 75: 3038–3041. 
  4. ^ Omnès, Roland (1999). Understanding Quantum Mechanics. Princeton University Press. pp. 179, 257. ISBN 978-0-691-00435-8. LCCN 98-42442. https://books.google.com/books?id=8_bnm4qghvkC&lpg=PP179&pg=PA179 
  5. ^ Kent, A.; McElwaine, J. (1997). “Quantum Prediction Algorithms”. Phys. Rev. A 55: 1703–1720. 
  6. ^ Griffiths, R. B. (2003). Consistent Quantum Theory. Cambridge University Press