Alle bisher durchgeführten quantenmechanischen Experimente stimmen mit der Annahme überein, dass die Gesetze der Quantenmechanik auf jedes denkbare System anwendbar sind. Arbeitshypothese der vorliegenden Arbeit ist die Möglichkeit, diese Gesetze auf den Zeitbegriff auszudehnen, und damit auch auf die Art und Weise, in der zwei oder mehr Ereignisse sich gegenseitig kausal beeinflussen können. Dies hätte weitreichende Konsequenzen, da unser Verständnis der Welt auf der Erforschung kausaler Beziehungen zwischen physikalischen Phänomenen beruht. Ziel dieser Arbeit war es daher, die Folgen der Anwendung der Quantenmechanik auf die kausalen Beziehungen zwischen Ereignissen und auf den thermodynamischen Zeitpfeil zu untersuchen. Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit drei Studien, die unter den Begriff der ``unbestimmten Kausalität'' fallen, also der Vorstellung, dass die kausale Struktur zwischen Ereignissen in quantenmechanische Unbestimmtheit gelangen kann. (Es wird erwartet, dass ein solches Szenario in Systemen auftritt, für die sowohl die Quantenmechanik als auch die Allgemeine Relativitätstheorie relevant sind und in denen die Metrik und folglich die kausale Struktur ``fluktuieren'' kann). In quantenoptischen Experimenten können solche unbestimmten Kausalstrukturen durch Überlagerung von Trajektorien realisiert werden, entlang derer zwei Ereignisse in alternativen Ordnungen auftreten. In diesem Sinne bildet die erste Arbeit in der vorliegenden Dissertation den ersten experimentellen Nachweis der unbestimmten Kausalität eines Prozesses durch die Messung eines `kausalen Zeugen', d.h. eines mathematischen Objekts welches ein bestimmtes Ergebnis erzeugen soll, wenn ein Prozess nicht mit einer definierten kausalen Ordnung übereinstimmt. Anknüpfend an diese erste Studie bezieht sich die zweite Arbeit auf den experimentellen Nachweis einer unbestimmten Kausalität außerhalb des Quantenformalismus. Dies wird erreicht, indem die Unvereinbarkeit der experimentellen Ergebnisse mit einer Klasse verallgemeinerter probabilistischer Theorien gezeigt wird, in denen die Lokalität und definierte zeitliche Ordnungen vorausgesetzt werden. Die als Drittes vorgestellte Arbeit erweitert nunmehr mit der Untersuchung einer Vielzahl von Quantenüberlagerungen von Trajektorien den Beobachtungsbereich über das Konzept der unbestimmten Kausalität hinaus. Es zeigt sich, dass Trajektorien für die Quantensteuerung der Ordnung verschiedener verrauschter Kommunikationskanäle anwendbar sind. Dies bildet jedoch nicht die einzige Konfiguration, in der diese letzteren angeordnet werden können. So wurden in dieser dritten Arbeit verschiedene Möglichkeiten für die Überlagerung zweier Trajektorien durch ein Paar verrauschter Kanäle experimentell verglichen. Es wurde gezeigt, dass alle diese Möglichkeiten die Übertragung von Informationen durch die Kanäle selbst dann ermöglichen, wenn standardmäßige Quantenkommunikationsprotokolle (bei denen sich ein System entlang einer wohldefinierten Trajektorie bewegt) versagen. Der zweite Teil dieser Dissertation umfasst zwei Arbeiten, die sich auf das Gebiet der Quanten- Thermodynamik beziehen. Das Bindeglied zwischen diesem und dem vorherigen Teil der Arbeit findet sich im Konzept des thermodynamischen Zeitpfeils und seiner Richtungsabhängigkeit. Tatsächlich erlaubt es der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, eine positive (negative) Entropieänderung in einem thermodynamischen Prozess mit der zeitlichen ``Vorwärts-'' (``Zeitumkehrung'') Richtung zu assoziieren. So wird in der vierten Arbeit dieser Dissertation vorgeschlagen, dass die Quantenmechanik sogar Quantenüberlagerungen zwischen thermodynamischen Prozessen erlaubt, welche zwei entgegengesetzte Entropievariationen ergeben. Damit wird die Existenz von Prozessen mit einem unbestimmten Zeitpfeil ermöglicht. Im Detail konzentriert sich diese Arbeit auf die Frage, ob solche Überlagerungen beobachtbare Konsequenzen haben und wie eine wohldefinierte Zeitachse entsteht, wenn geeignete Messungen der Entropieproduktion durchgeführt werden. In dieser Hinsicht zeigt sich dass, wenn für die Entropieproduktion große Werte (im Absolutbetrag) gemessen werden, dies zu einer effektiven Projektion der Quantenüberlagerung der thermodynamischen Zeitpfeile auf eine wohldefinierte zeitliche Richtung führt. Geht es hingegen um kleinen Entropieproduktionswerte, so spielen Interferenzeffekte eine wichtige Rolle für die Definition der Art des thermodynamischen Prozesses. Sie können beispielsweise zur Beobachtung von Arbeitswahrscheinlichkeitsverteilungen eines Prozesses führen, der stärker oder leichter umkehrbar ist als die einzelnen Prozesse, welche die Überlagerung bilden, oder auch jede klassische Mischung daraus. Die letzte Studie dieser Dissertation schließlich knüpft an die in der vorhergehenden Arbeit verwendeten Methoden an. Bei all den genannten Arbeiten geht es um die Anwendung sogenannter `thermodynamischer Fluktuationssätze'. Mit Hilfe thermodynamischer Fluktuationen wird es möglich, die Differenz der freien Energie zwischen zwei Gleichgewichtszuständen mit der Arbeit an einem System in Beziehung zu setzen, welches aus einem Gleichgewicht getrieben wird. Im Kontext der Quantenmechanik bildet die Definition von Arbeit ein nicht-triviales Konzept. Daher wurde in dieser letzten Arbeit ein einfaches interferometrisches Schema aufgestellt, welches unter Ausnutzung der Fluktuationstheoreme eine direkte Schätzung der Arbeitsverteilung und der durchschnittlichen Arbeit, die während eines isothermischen thermodynamischen Prozesses dissipiert wird, erlaubt. Die Untersuchung unbestimmter Kausalstrukturen und des Zeitpfeils führt zur Erschließung neuer Aufgabenstellungen in der Quanteninformation und der Quantenthermodynamik. Sie ist auch als methodisches Werkzeug für die Entwicklung zukünftiger Quantentheorien der Schwerkraft geeignet. Die theoretische Formulierung und experimentelle Realisierung dahingehender Ansätze, wie sie in der vorliegenden Arbeit unternommen werden, kann zur Grundlage für ein tieferes Verständnis der Rolle der Zeit in den grundlegenden physikalischen Theorien werden. In meinen Augen ist sie von zentraler Bedeutung für künftige konzeptionelle Wendepunkte in der Wissenschaft.
Invariant Set Theory (IST) is a realistic, locally causal theory of fundamental physics which assumes a much stronger synergy between cosmology and quantum physics than exists in contemporary theory. In IST the (quasi-cyclic) universe
U is treated as a deterministic dynamical system evolving precisely on a measure-zero fractal invariant subset
IU of its state space. In this approach, the geometry of
IU, and not a set of differential evolution equations in space-time
MU, provides the most primitive description of the laws of physics. As such, IST is non-classical. The geometry of
IU is based on Cantor sets of space-time trajectories in state space, homeomorphic to the algebraic set of
p-adic integers, for large but finite
p. In IST, the non-commutativity of position and momentum observables arises from number theory - in particular the non-commensurateness of
ϕ and
cosϕ. The complex Hilbert Space and the relativistic Dirac Equation respectively are shown to describe
IU, and evolution on
IU, in the singular limit of IST at
p=∞; particle properties such as de Broglie relationships arise from the helical geometry of trajectories on
IU in the neighbourhood of
MU. With the p-adic metric as a fundamental measure of distance on
IU, certain key perturbations which seem conspiratorially small relative to the more traditional Euclidean metric, take points away from
IU and are therefore unphysically large. This allows (the
ψ-epistemic) IST to evade the Bell and Pusey et al theorems without fine tuning or other objections. In IST, the problem of quantum gravity becomes one of combining the pseudo-Riemannian metric of
MU with the p-adic metric of
IU. A generalisation of the field equations of general relativity which can achieve this is proposed.
Preface. In defense of dogma: why there cannot be a relativistic quantum mechanics of (localizable) particles D.B. Malament. Just how radical is hyperplane dependence? G. Fleming. Is there superluminal causation in relativistic quantum field theory? M. Redei. EPR, relativity, and the GHZ experiment C. Pagonis, et al. Hidden quantum non-locality N.D. Mermin. Royer's measurements - the rise and fall of (yet another) signalling scheme I. Pitowsky. Tails of Schrodinger's cat D.Z. Albert, B. Loewer. Wavefunction collapse models with nonwhite noise P. Pearle. The emergence of classical properties from quantum mechanics L.E. Ballentine. Relativism S. Saunders. Wave and particle concepts in quantum field theory P. Teller. The conceptual relation between standard quantum mechanics and quantum field theory D. Robinson. What measurement problem? J.T. Cushing. Bovine metaphysics: remarks on the significance of the gravitational phase effect in quantum mechanics H.R. Brown. Exotic (quixotic?) applications of Bohm theory R. Weingard. Complementarity and the orthodox (Dirac-von Neumann) interpretation of quantum mechanics J. Bub. Logical reflections on the Kochen-Specker theorem J.L. Bell. Construction of quantum mechanics via commutative operations S. Kochen.
A straightforward extension of quantum mechanics and quantum field theory is proposed that can describe physical systems comprising two interacting subsystems: one subsystem evolves forward in time, the other, backward. The space of quantum states is the direct sum of the states representing the respective subsystems, whereupon there are two linearly independent vacuum states, one each for the forward and the backward subspace. An indefinite metric is imposed on the space of quantum states such that purely forward (respectively, purely backward) states have positive (respectively, negative) norms. Hamiltonians are self‐adjoint operators with respect to the metric, such that interactions/transitions between the subspaces can be accounted for. Given suitable definitions of input and of output states at the two ends of a time interval, input and output states separately have positive norms such that probability is conserved, and hence S‐matrices are unitary. A discussion of the physics entailed in the proposed formalism is undertaken. Then as an application, a simple model of a relativistic quantum field theory is proposed. In this model, the expected vacuum energy (thought to be associated with the cosmological constant) almost vanishes uniformly for times in an interval due to cancellation of the energies of the forward and backward vacuum states; this cancellation holds whatever be the input vacuum state at the ends of the time interval. A model is advanced wherein magnetic monopoles live exclusively in backward‐evolving states, and interact with forward‐evolving electric charges in a certain way. Proposals for further research, particularly concerning the possible detection of advanced gravitational waves, and a conjecture on the physics of dark matter and dark energy, conclude the report.
The quantum mechanics description of a physical object stretched in space and stable in time from the relativistic space-time properties point of view, introduced in special theory of relativity, is considered and analysed. The mathematical model of physical objects is proposed. This model gives a possibility to unite a description of corpuscular and wave properties of real physical objects, i.e. fields and particles. There are substantiated an approach and a mathematical pattern which give a possibility to describe physical object not only in causal, but also in absolute remote fields of the Minkowski space. Applying the proposed approach to the microcosm description, one can get the equations that in passage to the limit transfer to such quantum mechanics equations as Schrodinger, Klein-Gordon-Fock and in particular case - the wave equation. The event nature of the received equations is discussed. It is shown that all mentioned equations reflect the space-time relativistic properties during the description of the invariant and non-invariant physics object characteristics.