Academic literature on the topic 'Gravity-Decoherence'

It is believed that classical behavior emerges in a quantum system due to decoherence. It has also been proposed that gravity can be a source of this decoherence. We examine this in detail by studying a number of quantum systems, including ultrarelativistic and nonrelativistic particles, at low and high temperatures in an expanding universe, and show that this proposal is valid for a large class of quantum systems.

Une théorie de gravitation quantique propose de décrire l'interaction gravitationnelle à toutes les échelles de distance et d'énergie. Cependant, comprendre l'émergence de notre espace-temps classique reste un problème toujours ouvert. Cette thèse s'y attaque en gravité quantique à boucles à partir d'outils de l'information quantique.Ceci est fait en plusieurs étapes. La gravité quantique à boucles étant toujours une théorie en cours de développement, un point de vue pragmatique est adopté en étudiant une classe d'état physique du champ gravitationnel, motivée à la fois par des intuitions simples et les résultats de la physique à N corps. Une analyse de la reconstruction de la géométrie à partir des corrélations peut être faite et des leçons peuvent être tirées sur la forme de la dynamique fondamentale. Dans un second temps, la physique des sous-systèmes est analysée en commençant d'abord par évaluer l'entropie d'intrication entre l'intérieur et l'extérieur de la région, permettant ainsi de retrouver la loi holographique de l'entropie des trous noirs et donnant une forme possible des états holographiques de la théorie. Plusieurs dynamiques de la frontière, vu comme un système isolé ou ouvert, sont ensuite analysées, éclairant de nouveau la forme de la dynamique fondamentale. Enfin, la dernière étape de ces recherches étudie la dynamique de la frontière en interaction avec un environnement formé des degrés de liberté (de matière ou gravitationnels) formant le reste de l'Univers et la décohérence sur la frontière qu'il induit. Ceci permet de discuter la transition quantique/classique et de mettre en lumière, dans un modèle donné, les états pointeurs de la géométrie
A quantum theory of gravitation aims at describing the gravitational interaction at every scales of energy and distance. However, understanding the emergence of our classical spacetime is still an open issue in many proposals. This thesis analyzes this problem in loop quantum gravity with tools borrowed from quantum information theory.This is done in several steps. Since loop quantum gravity is still under construction, a pragmatic point of view is advocated and an ansazt for physical states of the gravitational field is studied at first, motivated from condensed matter physics and simple intuitions. We analyze the proposal of reconstructing geometry from correlations. Lessons on the quantum dynamics and the Hamiltonian constraint are extracted. The second aspect of this work focuses on the physics of sub-systems and especially the physics of their boundary. We begin by calculating the entanglement entropy between the interior and the exterior of the region, recovering the holographic law known from classical black hole physics. Then different boundary dynamics are studied, both in the isolated and open cases, which shed lights again on the fundamental dynamics. Finally, the last aspect of this research studies the dynamics of the boundary interacting with an environment whose degrees of freedom (gravitational or matter) forming the rest of the Universe and especially the decoherence it induces. This allows to discuss the quantum to classical transition and understand, in a given model, the pointer states of geometry

La mécanique quantique a modifié notre façon d'interpréter ce que jadis l'on appelait communément "réalité physique". A titre d'exemple, selon l'interprétation standard de la mécanique quantique (dite interprétation probabiliste de Copenhague) les propriétés d’un objet quantique n'ont pas de réalité physique, du moins, pas avant que l’observateur ne les mesure. De plus, tout semble se passer comme s'il y avait un indéterminisme intrinsèque à la dynamique quantique qui ne permettrait pas de prédire avec certitude le résultat d'une mesure. Dès lors, plusieurs interprétations physiques et philosophiques ont vu naissance afin de décrire (notre connaissance de) cette réalité.C'est au cours de la conférence de Solvay en 1927 que Louis de Broglie, un opposant à l'interprétation probabiliste, proposa une solution alternative qui permettait d'une part de restaurer le déterminisme (ainsi que le réalisme) et d'autre part de remettre au premier plan la notion de trajectoire. Par la suite cette théorie fut redécouverte et complétée par David Bohm pour donner naissance à la théorie connue aujourd'hui sous l'appellation de théorie de l'onde pilote. John Bell a dit à propos de cette interprétation : " En 1952, l'impossible a été rendu possible. C'était dans l'article de David Bohm. Bohm a montré explicitement comment une description indéterministe pouvait être transformée en théorie déterministe."Les travaux présentés dans ce manuscrit de thèse s'inscrivent dans la continuité de la vision de de Broglie et consistent en deux parties, chacune d'elles ayant pour but de répondre à une problématique particulière. Dans la première, on considère deux formalismes du type onde pilote, une version déterministe (dynamique de de Broglie-Bohm chapitre 2) ainsi qu'une de ses extensions stochastiques (dynamique de Bohm-Hiley-Nelson chapitre 3). On s'attardera notamment sur l’émergence de la probabilité quantique à partir de ces dynamiques dans l’approche dite du "Quantum Non-Equilibrium". Cette approche permet entre autres de s'affranchir du statut axiomatique de la distribution de probabilité mais aussi de la justifier par des arguments similaires à ceux que l'on retrouve en mécanique statistique. Parmi ces arguments on retrouvera à titre d’exemple la notion d’ergodicité, de chaos, de mixing ainsi que d’autres propriétés qui feront l’objet d’une étude approfondie (chapitre 4). En particulier, l’émergence de l’équilibre s'accompagne d'un processus de relaxation que nous allons caractériser dans chacune de ces dynamiques (dans le chapitre 3 nous dériverons un théorème H qui décrit quantitativement ce processus dans le cas stochastique). Par ailleurs, nous nous efforcerons, dans une approche phénoménologique, d’appliquer ces théories quantiques d'onde pilote à la dynamique macroscopique des gouttes d'huile rebondissantes dans un bain (chapitre 5).La deuxième problématique quant à elle, repose sur une hypothétique généralisation non-linéaire de la mécanique quantique. En particulier, nous considérerons l'équation de Schrodinger Newton comme une première proposition a cette généralisation. Cette équation non-linéaire découle d’une approximation semi-classique de la gravité et a été entre autres proposée par Roger Penrose pour expliquer le collapse de la fonction d’onde. Nous montrerons dans un premier temps comment le programme de la double solution de Louis de Broglie se développe dans ce contexte (chapitre 6). Par la suite nous verrons comment tester cette généralisation non-linéaire par deux propositions expérimentales (chapitre 7). En particulier, l’une de ces propositions nous conduira à étudier des effets de décohérence lors du refroidissement laser (Doppler cooling, chapitre 8). Pour cela on utilisera le modèle de Ghirardi–Rimini–Weber (GRW) comme modèle de décohérence. Ce qui nous permettra par la suite de généraliser les résultats obtenus auparavant par GRW dans leur modèle
The quantum theory has modified the way we interpret what in the past was commonly called "physical reality". As an example, according to the standard interpretation of quantum mechanics (the so-called probabilistic interpretation of Copenhagen), the properties of a quantum object have no physical reality, at least not before the observer measures them. Moreover, everything seems to happen as if there was an intrinsic indeterminism in the quantum dynamics that forbids to predict with certainty the result of a measurement. From then, several physical and philosophical interpretations were born to describe (our knowledge of) this reality.It is in 1927, during the Solvay conference, that Louis de Broglie, an opponent of the probabilistic interpretation, proposed an alternative solution to that problem. He proposed on the one hand to restore determinism (as well as realism) and on the other hand to bring back the notion of trajectory to the foreground. Subsequently this theory was rediscovered and supplemented by David Bohm to give birth to the theory known today as pilot wave theory. John Bell said about this interpretation: " In 1952, I saw the impossible done. It was in papers by David Bohm. Bohm showed explicitly how .... the indeterministic description could be transformed into a deterministic one."The works carried out in this manuscript are in continuity with de Broglie’s view and can be summed up in two main parts, each of them having the aim of answering a particular problem. In the first part, we consider two versions of the pilot wave theory: a deterministic version (de Broglie-Bohm dynamics in chapter 2) as well as one of its stochastic extensions (Bohm-Hiley-Nelson dynamics in chapter 3). In the framework of what is called the "Quantum non-equilibrium" approach we shall see how the quantum probability emerges from those dynamics. This approach makes it possible to get rid of the axiomatic status of the probability distribution but also to justify it by arguments similar to those found in statistical mechanics. Among these arguments we shall for instance find ergodicity, chaos, mixing and other properties that will be studied in depth (chapter 4). In particular, the emergence of the quantum probability is accompanied by a relaxation process that will be characterized for both dynamics (in chapter 3 we derive a strong H-theorem for the stochastic dynamics which quantitatively describes how this process occurs). In addition, we will try in a phenomenological approach to apply these quantum pilot wave theories to the macroscopic dynamics of bouncing oil droplets (chapter 5).The second problem is linked to a hypothetical nonlinear generalization of the quantum theory. In particular, we considered the Schrodinger Newton equation as a first proposal to this generalization. In a nutshell, this non-linear equation derives from a semi-classical approximation of gravity and has been proposed by Roger Penrose among others to explain the collapse of the wave function. We shall first show how it is related to the double solution program of Louis de Broglie (chapter 6). Subsequently we will see how to test this nonlinear generalization by considering two experimental proposals (chapter 7). In particular, one of these proposals will lead us to study the interplay between decoherence and Doppler cooling (chapter 8). To do this we shall use the model of Ghirardi-Rimini and Weber (GRW) as a decoherence model, which will allow us to generalize their original results