On the semiclassical limit of emergent quantum mechanics, as a classical thermodynamics of irreversible processes in the linear regime

Abstract

[EN] Motivated by the conceptual problems concerning the quantisation of gravity, the Dutch theoretical physicist G. 't Hooft (1999 Nobel prize in physics) put forward the notion that quantum mechanics must be the emergent theory of some underlying, deterministic theory. This proposal usually goes by the name quantum mechanics as an emergent phenomenon. This research line, initiated by 't Hooft in the late 1990's, has been the subject of intense research over the last 15 years, by 't Hooft himself as well as by many other researchers. In this PhD thesis we present our own approach to quantum mechanics as an emergent phenomenon. According to the emergence paradigm for quantum mechanics, information-loss effects in the underlying deterministic theory lead to the arrangement of states of the latter into equivalence classes, that one identifies as quantum states of the emergent quantum mechanics. In brief, quantisation is dissipation, according to 't Hooft. Moreover it has been argued in the literature that, in the presence of weak gravitational fields, quantum effects must be indistinguishable from thermal effects. Since the latter are typically dissipative in nature, the presence of a weak gravitational field should provide a framework in which quantum effects can be explained as due to thermal, dissipative fluctuations. Furthermore, since gravitational effects can be locally gauged away (thanks to the equivalence principle), there should exist some kind of equivalence principle for quantum effects, i.e., some kind of relativity principle for the notion of quantumness as opposed to the notion of classicality. In this PhD thesis we elaborate on this idea. Once a reference frame is fixed, however, quantum effects cannot be gauged away, and the statement quantisation is dissipation lends itself to a thermodynamical treatment. In this thesis we also present one mechanism whereby quantum mechanics is seen to emerge, thus explicitly realising 't Hooft's proposal. This mechanism is based on a dictionary between semiclassical quantum mechanics, on the one hand, and the classical theory of irreversible thermodynamics in the linear regime, on the other. This thermodynamical formalism, developed by Nobel prize winners Onsager and Prigogine, can be easily mapped into that of semiclassical quantum mechanics.

[ES] Motivado por los problemas conceptuales relativos a la cuantización de la gravedad, el físico teórico holandés G. 't Hooft (premio Nobel de física en 1999) sugirió la noción de que la mecánica cuántica pudiera ser la teoría emergente de alguna otra teoría determinista subyacente. Dicha propuesta se conoce como la mecánica cuántica en tanto que teoría emergente. Esta línea de investigación, iniciada por 't Hooft a finales de los años 90, ha sido objeto de intenso estudio a lo largo de los últimos 15 años, tanto por el mismo 't Hooft como por numerosos otros investigadores. En esta tesis doctoral presentamos nuestra propia aproximación a la mecánica cuántica como fenómeno emergente.

De acuerdo con este paradigma emergente para la mecánica cuántica, son efectos de pérdida de información en la teoría determinista subyacente los que conducen a que los estados de ésta última se agrupen en clases de equivalencia, las cuales clases se identifican con los estados cuánticos de la mecánica cuántica emergente. En breve, la cuantización es disipación, según 't Hooft.

Asimismo se ha argumentado en la literatura que, en presencia de campos gravitatorios débiles, los efectos cuánticos son indistinguibles de los efectos térmicos. Dado que éstos últimos son típicamente disipativos por naturaleza, la presencia de un campo gravitatorio débil debería proporcionar un entorno en el cual los efectos cuánticos puedan entenderse como debidos a fluctuaciones térmicas, disipativas. Además, dado que los campos gravitatorios pueden eliminarse localmente (gracias al principio de equivalencia), debería existir algún tipo de principio de equivalencia para los efectos cuánticos, i.e., algún tipo de principio de relatividad para la noción de cuanticidad, por oposición a la noción de clasicidad. En esta tesis doctoral elaboramos estas ideas.

Sin embargo, una vez fijado un sistema de referencia, los efectos gravitatorios ya no pueden eliminarse, y la afirmación de que la cuantización es disipación se presta a un tratamiento termodinámico. En esta tesis también presentamos un mecanismo mediante el cual la mecánica cuántica se ve emerger, comprobándose así explícitamente la propuesta de 't Hooft. Este mecanismo se basa en un diccionario entre la mecánica cuántica semiclásica, por un lado, y la teoría clásica de la termodinámica irreversible en el régimen lineal, por otro lado. Dicho formalismo termodinámico, desarrollado por los premios Nobel Onsager y Prigogine, puede trasladarse fácilmente a la mecánica cuántica semiclásica.

[CA] Motivat pels problemes conceptuals en relació a la quantització de la gravetat, el físic teóric holandés G. 't Hooft (premi Nobel de física en 1999) va suggerir la noció de que la mecànica quàntica pogués ser la teoria emergent d ' alguna altra teoria determinista subjacent. A questa proposta es coneix com a mecanica quantica en tant que teoria emergent. Aquesta línia d ' investigació, iniciada per 't Hooft a final dels anys 90, ha sigut intensament estudiada durant els últims 15 anys , tant pel mateix 't Hooft com per nombrosos altres investigadors. En aquesta tesi doctoral presentem la nostra própia aproximació a la mecànica quàntica com a fenomen emergent.

D ' acord amb aquest paradigma emergent per a la mecànica quàntica, són efectes de pérdua d ' informació en la teoria determinista, subjacent els que condueixen a que els estats d ' aquesta última s ' agrupen en classes d ' equivalència, les quals s ' identifiquen amb els estats quàntics de la mecànica quàntica emergent. Breument, la quantització es dissipació segons 't Hooft.

Aixímateix, s ' ha argumentat a la literatura que, en presència de camps gravitatoris febles, els efectes quàntics són indistingibles dels efectes tèrmics. Com aquests últims són típicament dissipatius per naturalesa, la presència d ' un camp gravitatori feble hauria de proporcionar un entorn en el qual els efectes quàntico es puguen entendre com deguts a fluctuacions tèrmiques, dissipatives. A més a més, com que els camps gravitatoris poden eliminar-se localment (gràcies al principi d ' equivalència), hauria d ' existir algun tipus de principi d ' equivalència per als efectes quàntics, i.e. , algun tipus de principi de relativitat per a la noció de quanticitat, per oposició a la noció de classicitat. En aquesta tesi doctoral elaborem aquestes idees.

En canvi, una vegada fixat el sistema de referència, els efectes gravitatoris ja no poden eliminar-se, i l ' afirmació de que la quantització és dissipació es presta a un tractament termodinàmic. En aquesta tesi també presentem un mecanisme mitjançant el qual la mecànica quàntica es veu emergir, comprovant-se explícitament la proposta de 't Hooft. A quest mecanisme es basa en un diccionari entre la mecànica quàntica semiclàssica, d ' una banda, i la teoria clàssica de la termodinàmica irreversible en el règim lineal, d ' una altra banda. A quest formalisme termodinàmic, desenvolupat pels premis Nobel Onsager i Prigogine, pot traslladar-se fàcilment a la mecànica quàntica semiclàssica.