Challenges
Datasets
Workspaces
Papers
Discussions
Leaderboard
Log inSign up
Challenges
Datasets
Workspaces
Papers
Discussions
Leaderboard
Blog
Job Board
Q3AS

© 2026 Aqora Quantum S.A.S.

TermsPrivacyLegal Notice

Entropy

Causality Is an Effect, II

Lawrence S. Schulman

Published May 28, 2021• 1 citation
Publisher

Abstract

Causality follows the thermodynamic arrow of time, where the latter is defined by the direction of entropy increase. After a brief review of an earlier version of this article, rooted in classical mechanics, we give a quantum generalization of the results. The quantum proofs are limited to a gas of Gaussian wave packets.
DOI
10.3390/e23060682

Related papers

Irreversibility and the arrow of time

Jürg Martin Fröhlich

Within the general formalism of quantum theory irreversibility and the arrow of time and the in the evolution of various physical systems are studied. Irreversible behavior often manifests itself in the guise of “entropy production.” This motivates me to begin this chapter with a brief review of quantum-mechanical entropy, a subject that Elliott Lieb has made outstanding contributions to, followed by an enumeration of examples of irreversible behavior and of an arrow of time analyzed in later sections. Subsequently, a derivation of the laws of thermodynamics from (quantum) statistical mechanics, and, in particular, of the Second Law of thermodynamics, in the forms given to it by Clausius and Carnot, is presented. In a third part, results on diffusive (Brownian) motion of a quantum particle interacting with a quasi-free quantum-mechanical heat bath are reviewed. This is followed by an outline of a theory of friction by emission of Cherenkov radiation of sound waves in a system consisting of a particle moving through a Bose–Einstein condensate and interacting with it. In what may be the most important section of this chapter, the fundamental arrow of time inherent in Quantum Mechanics is discussed.

arXiv:2202.04619•EMS Press eBooks•Jun 29, 2022•5 citations

Quantum causality determines the arrow of time

John F. Donoghue, Gabriel Menezes

In the philosophy of science, the origin of an arrow of time is viewed as problematic. We describe here how this arrow really follows from the causal structure of quantum physics. This connection is not really new -- it is just overlooked in most discussions of the arrow of time.

arXiv:2003.09047•Mar 19, 2020•1 citation

Quantum causality and the indefinite thermodynamic arrow of time

Giulia Rubino

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.

•Jan 1, 2020•0 citations

The Universal Arrow of Time II: Quantum mechanics case

Oleg Kupervasser

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).

arXiv:1106.6160•Jun 30, 2011•3 citations

A Theory for the Time Arrow

Davi Geiger, Zvi M. Kedem

Physical laws for elementary particles can be described by the quantum dynamics equation given a Hamiltonian. The solution are probability amplitudes in Hilbert space that evolve over time. A probability density function over position and time is given as the magnitude square of such probability amplitude. An entropy can be associated with these probability densities characterizing the position information of a particle. Coherent states are localized wave packets and may describe the spatial distribution for some particle states. We show that due to a dispersion property of Hamiltonians in quantum physics, the entropy of coherent states increases over time. We investigate a partition of the Hilbert space into four sets based on whether the entropy is (i) increasing but not a constant, (ii) decreasing but not a constant, (iii) a constant, (iv) oscillating. We propose a law that entropy (weakly) increases in time in quantum physics. Thus, states in set (ii) are disallowed, and the states in set (iii) cannot complete an oscillation period. Then, according to this law, quantum theory is not time-reversible unless the state is in set (iii), i.e., it is a stationary state (an eigenstate of the Hamiltonian.). This additional law in quantum theory limits physical scenarios beyond conservation laws, providing causality reasoning by defining an arrow of time.

arXiv:1906.11712•Jun 27, 2019•0 citations

Introduction

Vladimir Pascalutsa

The first chapter presents an introduction to the concept of causality and how it applies in quantum mechanics. There is also a brief description of the contents of the other chapters

Institute of Physics eBooks•Apr 1, 2024•0 citations
Within the general formalism of quantum theory irreversibility and the arrow of time and the in the evolution of various physical systems are studied. Irreversible behavior often manifests itself in the guise of “entropy production.” This motivates me to begin this chapter with a brief review of quantum-mechanical entropy, a subject that Elliott Lieb has made outstanding contributions to, followed by an enumeration of examples of irreversible behavior and of an arrow of time analyzed in later sections. Subsequently, a derivation of the laws of thermodynamics from (quantum) statistical mechanics, and, in particular, of the Second Law of thermodynamics, in the forms given to it by Clausius and Carnot, is presented. In a third part, results on diffusive (Brownian) motion of a quantum particle interacting with a quasi-free quantum-mechanical heat bath are reviewed. This is followed by an outline of a theory of friction by emission of Cherenkov radiation of sound waves in a system consisting of a particle moving through a Bose–Einstein condensate and interacting with it. In what may be the most important section of this chapter, the fundamental arrow of time inherent in Quantum Mechanics is discussed.
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.
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).
Physical laws for elementary particles can be described by the quantum dynamics equation given a Hamiltonian. The solution are probability amplitudes in Hilbert space that evolve over time. A probability density function over position and time is given as the magnitude square of such probability amplitude. An entropy can be associated with these probability densities characterizing the position information of a particle. Coherent states are localized wave packets and may describe the spatial distribution for some particle states. We show that due to a dispersion property of Hamiltonians in quantum physics, the entropy of coherent states increases over time. We investigate a partition of the Hilbert space into four sets based on whether the entropy is (i) increasing but not a constant, (ii) decreasing but not a constant, (iii) a constant, (iv) oscillating. We propose a law that entropy (weakly) increases in time in quantum physics. Thus, states in set (ii) are disallowed, and the states in set (iii) cannot complete an oscillation period. Then, according to this law, quantum theory is not time-reversible unless the state is in set (iii), i.e., it is a stationary state (an eigenstate of the Hamiltonian.). This additional law in quantum theory limits physical scenarios beyond conservation laws, providing causality reasoning by defining an arrow of time.