← Вернуться в библиотеку
11.07.2026
Срезание дерева: формирующаяся структура ветвей и правило Борна в уравновешенной мультивселенной
Декогеренция историй и правило Борна
Авторы:
Strasberg, Philipp,
Schindler
Срезание дерева: формирующаяся структура ветвей и правило Борна в уравновешенной мультивселенной
Филипп Страсберг
Йозеф Шиндлер
Теорическая физика: Информация и квантовые феномены, Департамент физики, Автономный университет Барселоны, 08193 Беллатерра (Барселона), Испания
( 2 февраля 2026 г. )
Абстрактный
В рамках интерпретации множества миров (ИММ) считается, что с течением времени линейность уравнения Шрёдингера вместе с декогеренцией порождают экспоненциально растущее дерево ветвей, где «происходит всё», при условии, что ветви определены для декогерентного базиса. Изучив пример, используя точную численную диагонализацию уравнения Шрёдингера для вычисления функционала декогерентных историй, мы обнаруживаем, что эта картина нуждается в пересмотре. Наш пример показывает декогеренцию для историй, определенных в несколько моментов времени, но значительная часть (часто подавляющее большинство) ветвей демонстрирует сильные интерференционные эффекты для историй, определенных во много раз. В смысле, уточненном ниже, истории независимо исследуют равновесный квантовый процесс, и, что примечательно, мы обнаруживаем, что декогерентными остаются только истории, которые исследуют частоты в соответствии с правилом Борна. Наши результаты предполагают, что в дереве множества миров существует больше структуры, чем предполагалось ранее, что влияет на аргументы как сторонников, так и противников ИММ.
В последние десятилетия наблюдается активизация исследовательского интереса к формулировке квантовой механики Эверетта, основанной на «относительном состоянии» ( Everett).1957) , которая получила широкое распространение как интерпретация множественных миров (ИММ) Витта (1970); ДеВитт и Грэм (1973); Тегмарк (2003); Карр (2007); Сондерс и др. (2010Уоллес (2012); Вайдман (2021); Кэрролл (2022) . Одной из причин возросшей популярности является развитие теории декогеренции Зурека (2003); Йоос и др. (2003) , что можно использовать для исследования того, какие «миры» ведут себя классически, то есть являются декогерентными.
Если сосредоточиться на базисе, который декогерирует, то многомировая «Мультивселенная» обычно представляется в виде разветвленного дерева с экспоненциально растущим числом ветвей с течением времени (мы ограничиваем обсуждение нерелятивистской квантовой механикой с примитивным параметром времени). Это легко увидеть на примере многомирового описания идеализированного частотного эксперимента, в котором система в суперпозиции (пере)подготавливается и измеряется много раз, см. рис. 1 (а). Однако следует отметить, что разветвление может происходить для любой квантовой флуктуации, соответствующим образом связанной с макроскопической степенью свободы, которая декогерирует. Это стандартная картина Мультивселенной, используемая как сторонниками, так и противниками многомировой интерпретации Витта (1970); ДеВитт и Грэм (1973); Тегмарк (2003); Карр (2007); Сондерс и др. (2010Уоллес (2012); Вайдман (2021); Кэрролл (2022) а иногда для объяснения аспектов многомировой теории используются даже классические упрощенные модели множества миров.
Однако вопрос о том, как долго эта картина может оставаться верной, до сих пор не рассматривался; ясно лишь то, что декогеренция не может бесконечно распространяться в любой (фактически) конечномерной системе. Здесь мы подробно исследуем этот вопрос на наглядном примере, используя историю декогеренции. Мы обнаруживаем, что декогеренция не прекращается глобально, а продолжается без изменений на (как правило, чрезвычайно малом) подмножестве ветвей. Это говорит о том, что дерево множественных миров имеет нетривиальную и потенциально богатую структуру.
Мы продолжаем рассмотрение общего математического формализма и объясняем, как исследовать свойства декогеренции экспоненциально большого числа ветвей. Затем мы описываем модель, которую можно связать с выборкой равновесного квантового процесса в идеализированном частотном эксперименте с
Л
независимые и повторные эксперименты (однако, даже если отвергнуть эту интерпретацию, численные результаты ясно демонстрируют ранее не наблюдавшееся явление нетривиальной структуры (де)когерентности между ветвями). В заключение мы обсуждаем замечательное наблюдение, что все декогерентные ветви выбирают частоты в соответствии с правилом Борна.
См. подпись
Рисунок 1:(a) Древовидная структура Мультивселенной для повторяющегося бинарного измерения «0 или 1»: стандартная модель постулирует реальность всех ветвей (пунктирные и сплошные линии), но наши результаты показывают, что только подмножество декогерирует (сплошные линии). (b) Траектория вероятности получения результата «один» при условии наличия одной ветви (розовая линия на рисунке (a)). Числовые параметры на рисунке (b) такие же, как на рисунке 2 .
Д
=
25000
.
Формализм. Для доступа к декогерентности ветвей во многих случаях.
Л
≫
1
Естественно использовать формализм декогерентной истории Гелл-Манна и Хартла (1990); Омнес (1992); Холливелл (1995); Доукер и Кент (1996); Гриффитс (2001,2019Нам известно о спорах, касающихся его использования в контексте интерпретаций квантовой физики, например, в работе ван Кампена и др . (2000) . В отношении нашей работы мы отвергаем эту критику, поскольку используем только математическую модель и не постулируем декогерентные истории (вместо этого мы изучаем их возникновение, основываясь исключительно на уравнении Шрёдингера). С этой точки зрения, остается мало споров о том, что декогерентные истории отражают существенный аспект классичности, даже если они могут не отражать все аспекты. В частности, различные исследователи установили тесную связь между декогерентными историями и формированием стабильных записей или воспоминаний, что является важной предпосылкой для идентификации классических ветвей, которые могли бы поддерживать наблюдателей Альбрехта (1992); Гелл-Манн и Хартл (1993Финкельштейн (1993Паз и Зурек (1993); Холливелл (1999a); Додд и Холливелл (2003); Ридель и др. (2016); Хартл (2016) .
Математически мы используем полный набор ортогональных проекторов.
П
х
связанное с некоторым абстрактным и, для простоты, бинарным свойством
х
∈
{
0
,
1
}
Это метод разложения гильбертова пространства изолированной системы. Начальное состояние:
|
ψ
(
т
0
)
⟩
и унитарный оператор временной эволюции из
т
к
к
т
ℓ
обозначается
У
ℓ
,
к
. Тогда состояние, совместимое с наличием свойств.
х
я
временами
т
я
для
я
∈
{
1
,
2
,
…
,
Л
}
является
|
ψ
(
х
)
⟩
=
П
х
Л
У
Л
,
Л
−
1
⋯
П
х
2
У
2
,
1
П
х
1
У
1
,
0
|
ψ
(
т
0
)
⟩
(1)
и
х
=
(
х
Л
,
…
,
х
2
,
х
1
)
Это называется историей . Обратите внимание, что x просто обозначает ветви.
|
ψ
(
х
)
⟩
унитарно развивающегося глобального чистого состояния согласно
|
ψ
(
т
Л
)
⟩
=
У
Л
,
0
|
ψ
(
т
0
)
⟩
=
∑
х
|
ψ
(
х
)
⟩
.
(2)
В изолированной системе фактических измерений не происходит. Теперь две разные истории x и y являются декогерентными, если
ϵ
(
х
,
й
)
≡
|
⟨
ψ
(
й
)
|
ψ
(
х
)
⟩
|
⟨
ψ
(
х
)
|
ψ
(
х
)
⟩
⟨
ψ
(
й
)
|
ψ
(
й
)
⟩
≪
1
.
(3)
Обратите внимание, что
ϵ
(
х
,
й
)
≤
1
согласно неравенству Коши-Шварца.
К сожалению,
2
Л
многие относительные состояния
|
ψ
(
х
)
⟩
выполнить оценку уравнения ( 3 ) для
Л
≫
1
Практически невозможно. Поэтому мы сосредотачиваем внимание на конкретном вопросе (мотивация которого станет ясна ниже) и вводим относительное состояние.
|
ψ
(
м
)
⟩
≡
∑
х
δ
м
,
н
1
(
х
)
|
ψ
(
х
)
⟩
,
м
∈
{
0
,
1
,
…
,
Л
}
.
(4)
Здесь,
δ
м
,
н
это символ Кронекера и
н
1
(
х
)
≡
∑
я
=
1
Л
х
я
Чистое число «единиц» в x . Эти состояния по-прежнему удовлетворяют условию .
∑
м
|
ψ
(
м
)
⟩
=
|
ψ
(
т
Л
)
⟩
и
∑
м
⟨
ψ
(
м
)
|
ψ
(
м
)
⟩
=
1
Таким образом, они обозначают полный набор ветвей, в которых потенциальных наблюдателей интересует только относительная частота.
м
/
Л
из «единиц», но забыл информацию о том, какая именно последовательность x была реализована.
Упрощенная модель. В этой бинарной системе любой гамильтониан можно записать как
ЧАС
=
(
ЧАС
00
ЧАС
01
ЧАС
10
ЧАС
11
)
(5)
с
ЧАС
я
дж
=
П
я
ЧАС
П
дж
По причинам, которые мы объясним ниже, мы принимаем
ЧАС
00
(
ЧАС
11
) быть диагональными матрицами с
д
0
(
д
1
) равномерно расположенные собственные энергии в интервале
[
0
,
δ
ϵ
]
(в симуляции мы установили
δ
ϵ
=
0,5
) таким образом, что полная размерность гильбертова пространства равна
Д
=
д
0
+
д
1
Эти подпространства взаимодействуют посредством
ЧАС
01
=
ЧАС
10
†
=
λ
Р
, где
Р
представляет собой случайную матрицу, равномерно заполненную гауссовыми случайными числами с нулевым средним значением и единичной дисперсией, и
λ
— это сила связи. Теперь мы ограничимся обсуждением соответствующего режима слабой связи, описываемого условием.
с
≡
8
λ
2
д
0
д
1
/
(
Д
δ
ϵ
2
)
≪
1
Однако позже мы также проведем численное исследование режима сильной связи.
Прежде всего, отметим, что в данной модели наблюдается декогеренция при малых значениях.
Л
Основаны Gemmer и Steinigeweg (2014Страсберг (2023Страсберг и др. (2023aКроме того , в рамках подхода с открытой системой,
П
0
и
П
1
их можно рассматривать как проекторы на точечные состояния двухуровневой системы, слабо связанной с окружающей средой размерности
Д
/
2
В этом случае также была установлена декогеренция, вызванная воздействием окружающей среды (например, в работах Горина и др. ) .2008); Генвей и др. (2013); Альбрехт и др. (2022Ян и Зурек (2022) ), но в дальнейшем нет необходимости ссылаться на какую-либо структуру тензорного произведения системы и окружающей среды. Более того, уравновешивание и термализация этой модели также хорошо изучены (например, в работах Перейра (1991Эспозито и Гаспар (2003); Лебовиц и Пастур (2004); Бартш и др. (2008); Риера-Кампени и др. (2021и характерная шкала времени релаксации хорошо описывается
τ
=
δ
ϵ
/
(
2
π
λ
2
Д
)
Бартш и др. (2008) .
Таким образом, эту модель можно рассматривать как архетипическую модель, ведущую себя в соответствии с теорией декогеренции и статистической механикой. Более того, успех теории случайных матриц в описании общих свойств сложных систем Вигнера (1967); Броди и др. (1981); Бинаккер (1997); Гур и др. (1998); Хааке (2010); Д'Алессио и др. (2016); Deutsch (2018) обосновывает предположение, что она также отражает важные аспекты реалистичных систем, в частности, из-за тесной связи между теорией случайных матриц и реалистичными квантовыми многочастичными системами (гипотеза термализации собственных состояний Дойча (1991); Средницкий (1994,1999); Д'Алессио и др. (2016); Deutsch (2018); Рейман и Дабелоу (2021) ).
Наконец, мы выбираем случайное начальное состояние Хаара.
|
ψ
(
т
0
)
⟩
и времена
т
дж
+
1
−
т
дж
≫
τ
(численно мы проводим случайную выборку)
т
дж
+
1
−
т
дж
∈
[
19.5
τ
,
20.5
τ
]
Последний вариант гарантирует, что проекторы будут работать.
П
х
достигают своего равновесного значения
⟨
П
х
⟩
≈
д
х
/
Д
(с экспоненциально подавленными флуктуациями вокруг своего среднего значения Фаркуара и Ландсберга (1957); Боккьери и Лойнгер (1958); Геммер и др. (2004); Попеску и др. (2006); Хайтманн и др. (2020) ) перед каждым
т
дж
как показано на рис. 1 (б). Таким образом, с макроскопической точки зрения системы выглядят одинаково подготовленными на каждом этапе.
т
дж
Хотя, конечно, сохраняются тонкие, скрытые микроскопические корреляции.
Эти соображения обосновывают представление об идеализированных частотных экспериментах в рамках равновесного квантового процесса, где
|
ψ
(
м
)
⟩
связан с записью
м
«единицы» после
Л
Независимые эксперименты — обеспечили декогеренцию ветвей, позволяющую сформировать запись. Эти утверждения будут точно количественно оценены ниже. Здесь мы лишь отметим, что, конечно, наша модель не способна воспроизвести какую-либо реалистичную экспериментальную установку из-за очевидных численных ограничений. Мы используем удобную метафору частотных экспериментов, потому что она отражает ключевой аспект наличия бинарной степени свободы (которая, как отмечалось выше, может обозначать состояния открытой квантовой системы, связанной со сложной лабораторной средой), многократно исследуемой и (повторно) подготавливаемой, казалось бы, независимым образом. Более того, наш главный тезис — возникновение нетривиальной и неклассической структуры ветвей многомирового дерева — не зависит от этой предполагаемой связи.
В частности, мы хотели бы противодействовать скептическим голосам, утверждающим, что случайный гамильтониан или случайное начальное состояние вносят классический шум или вероятности извне в наш подход. Это неверно, поскольку все представленные численные результаты получены для одного единственного выбора
ЧАС
(сохраняя неизменность на протяжении всей динамики) и единственный выбор
|
ψ
(
т
0
)
⟩
Мы не проводим никаких усреднений. Глобальное состояние остается чистым во все времена, и все неопределенности имеют исключительно квантовое происхождение. Тем не менее, и это очень важно, мы наблюдали, что результаты являются универсальными, то есть, разные варианты выбора для
ЧАС
и
|
ψ
(
т
0
)
⟩
приводят к аналогичному поведению. Подтверждено успехом теории случайных матриц Вигнера (1967); Броди и др. (1981); Бинаккер (1997); Гур и др. (1998); Хааке (2010); Д'Алессио и др. (2016); Deutsch (2018) и типичность Геммера и др. (2004); Хайтманн и др. (2020) , это позволяет сделать вывод о более широкой применимости наших результатов.
См. подпись
Рисунок 2:Мера когерентности
ϵ
(
н
)
(синие круги) и вероятности
п
(
н
)
(сплошная фиолетовая линия) и
q
(
н
)
(черные звезды) как функция
н
Здесь и на всех рисунках:
⟨
н
⟩
=
Л
д
1
/
Д
является ожидаемым числом единиц согласно
п
(
н
)
мы всегда масштабируем
п
(
н
)
и
q
(
н
)
путем деления на
п
макс
=
макс
н
п
(
н
)
, то
х
Ось масштабирована для отображения
н
на интервале размером два, а серая область соответствует одному стандартному отклонению.
п
(
н
)
.
Численные данные. На всех графиках мы количественно оцениваем степень (де)когерентности, рассматривая
ϵ
(
н
)
=
макс
м
≠
н
|
⟨
ψ
(
м
)
|
ψ
(
н
)
⟩
|
⟨
ψ
(
м
)
|
ψ
(
м
)
⟩
⟨
ψ
(
н
)
|
ψ
(
н
)
⟩
∈
[
0
,
1
]
.
(6)
Если
ϵ
(
н
)
близко к нулю, ветвь, порождающая
н
«Единицы» отделены от всех других ветвей и позволяют формировать стабильные, классические записи; тогда как
ϵ
(
н
)
Близость к единице подразумевает сильное взаимодействие с другими ветвями.
м
≠
н
что препятствует формированию надежных записей. Следует отметить сильную согласованность между ветвями.
|
ψ
(
н
)
⟩
это также подразумевает сильную согласованность между мелкозернистыми ветвями.
|
ψ
(
х
)
⟩
как показано в Приложении.
Кроме того, мы также сравниваем две вероятности.
q
(
н
)
≡
⟨
ψ
(
н
)
|
ψ
(
н
)
⟩
,
п
(
н
)
≡
(
Л
н
)
п
1
н
(
1
−
п
1
)
Л
−
н
,
(7)
где
q
(
н
)
это точная вероятность наблюдения
н
раз «один», тогда как
п
(
н
)
получается путем применения правила Борна с однократной вероятностью.
п
1
наблюдать
х
=
1
для
Л
независимые испытания. Таким образом,
п
(
н
)
является биномиальным распределением, и, исходя из сказанного выше, мы ожидаем (и подтверждаем ниже), что
п
1
=
д
1
/
Д
.
Мы начинаем с равных размерностей подпространств.
д
0
=
д
1
и обеспечить слабую связь путем установки
с
=
0,0025
Временная эволюция одной истории вдоль конкретной ветви в течение нескольких шагов выглядит так, как показано на рис. 1 (b), что соответствует нашим ожиданиям. Что касается более длинных историй, на рис. 2 показано следующее :
ϵ
(
н
)
,
q
(
н
)
и
п
(
н
)
Во-первых, на рис. 2 (а) и (б) мы рассматриваем историю изменения длины.
Л
=
25
и сравнить два размера системы:
Д
=
250
и
Д
=
25000
Мы подтверждаем, что декогеренция значительно сильнее при больших размерах системы, что согласуется с законами масштабирования, описанными в работах Страсберга и др. (2023бСтрасберг (2023Страсберг и др. (2023aБолее того, у нас есть
q
(
н
)
≈
п
(
н
)
для
Д
=
25000
но наблюдаются значительные отклонения для
Д
=
250
из-за сильного влияния эффектов конечного размера. Таким образом, мы видим вероятности.
q
(
н
)
появляются явления, которые начинают вести себя как в идеальном частотном эксперименте при больших значениях частоты.
Д
Однако, когерентности
ϵ
(
н
)
Пока не наблюдается какой-либо четкой закономерности, но
Л
=
25
Он все еще довольно короткий.
На протяжении длительных исторических периодов происходят резкие изменения.
Л
=
250
Как показано на рис. 2 (c) и (d). Внезапно появляется очень четкий минимум в районе
н
≈
⟨
н
⟩
Примечательно, что вдали от него
ϵ
(
н
)
резко возрастает, приближаясь к своему максимальному значению для обоих показателей.
Д
=
250
и
Д
=
25000
, что означает максимально возможную согласованность. Более того, теперь мы видим, что
q
(
н
)
идеально подходит
п
(
н
)
для
Д
=
25000
, в то время как для
Д
=
250
(как и ожидалось). Таким образом, для
Д
=
25000
Мы близки к идеальному эксперименту с частотой, и когерентные эффекты начинают нарастать приблизительно тогда, когда
|
н
−
⟨
н
⟩
|
превышает одно стандартное отклонение.
См. подпись
Рисунок 3:Мера когерентности
ϵ
(
н
)
для
Д
=
250
(оранжевые квадраты) и
Д
=
25000
(синие круги) и вероятности
п
(
н
)
и
q
(
н
)
(как на рис. 2 ) для
Д
=
25000
как функция
н
.
Однако разделение подпространств в соотношении 50/50 является особым, и чтобы проверить наш подход, мы продолжаем, рассматривая разделение в соотношении 20/80 с
д
1
=
4
д
0
, подразумевая
п
1
=
0,8
Результаты показаны на рис. 3 , где мы отображаем
ϵ
(
н
)
для
Д
=
250
и
Д
=
25000
совместно на одном графике, тогда как мы строим график
q
(
н
)
и
п
(
н
)
только для
Д
=
25000
На рис. 3 (а) теперь можно увидеть некоторые четкие признаки высокой когерентности .
ϵ
(
н
)
если
н
значительно отклоняется от
⟨
н
⟩
даже для коротких историй продолжительностью
Л
=
25
Более того, на рисунках 3 (а) и (б) мы видим, что
ϵ
(
н
)
для
Д
=
25000
может быть больше, чем
ϵ
(
н
)
для
Д
=
250
вопреки тому, что можно было бы ожидать, исходя из масштабирующего поведения для малых значений.
Л
Страсберг и др. (2023бСтрасберг (2023Страсберг и др. (2023aПомимо этих дополнительных наблюдений, данные на рис. 3 соответствуют выводам, представленным на рис . 2 .
Наконец, рассмотрим случай сильной связи в качестве контрпримера. Действительно, ожидается, что декогерентные истории будут возникать только для медленных и грубых наблюдаемых в системе большой размерности Ван Кампена (1954); Гелл-Манн и Хартл (1993); Холливелл (1999бСтрасберг (2023Страсберг и др. (2023a,б) , но при сильной связи наблюдаемая величина перестает быть медленной. Численные результаты для
Л
=
250
и
Д
=
25000
с
д
0
=
3
д
1
/
2
показаны на рис. 4 (а) для
с
=
0,25
(умеренная связь) и (б) для
с
=
25.0
(очень сильная связь). Рисунок 4 (а) по-прежнему допускает интерпретацию в соответствии с предыдущими рисунками, что демонстрирует определенную устойчивость наших результатов. Тем не менее, отклонения между
q
(
н
)
и
п
(
н
)
становятся заметно видимыми, в частности, вокруг
н
≈
⟨
н
⟩
Картина резко меняется при очень сильной связи на рис. 4 (б). В то время как
ϵ
(
н
)
Она по-прежнему демонстрирует некоторую нетривиальную структуру, и, кажется, трудно связать её с какими-либо физическими свойствами. Более того,
q
(
н
)
и
п
(
н
)
Они совершенно разные, что указывает на сильную корреляцию между испытаниями.
См. подпись
Рисунок 4:Сюжет
ϵ
(
н
)
,
п
(
н
)
и
q
(
н
)
для
Л
=
250
и
Д
=
25000
(легенда как на рис. 2 ). Для (b) мы изменили масштаб.
τ
к
10
τ
для обеспечения равновесия между различными испытаниями.
Прежде чем перейти к более широкому обсуждению, стоит кратко изложить наши численные результаты в рамках многомерного интерпретационного анализа. Во-первых, для
Л
≫
1
Декогерентные ветви универсальной волновой функции нашей упрощенной модели представляют собой только те последовательности, где
м
/
Л
≈
п
1
Наблюдатели внутри него (которые, надо признать, здесь трудно представить) и без предварительного знания правила Борна, следовательно, (само)позиционировали бы себя в мирах, подчиняющихся правилу Борна, то есть они могли бы сделать вывод о справедливости фиолетовой сплошной линии на рис. 2 и 3. Более того, тот факт, что
п
(
н
)
≈
q
(
н
)
(что наблюдатель внутри Мультивселенной не смог бы подтвердить) доказывает, что измеренные частоты соответствуют независимым экспериментам.
Обсуждение. Насколько нам известно, это первое исследование, изучающее свойства декогеренции для
Л
≫
1
В отличие от широко распространенного мнения о том, что декогеренция в один момент времени распространяется вместе с ветвями, мы показали, что дерево множественных миров обладает нетривиальной структурой, характеризующейся ветвями, демонстрирующими максимально возможную степень когерентности, т.е.
ϵ
(
н
)
≈
1
.
Более того, мы установили связь с другим важным результатом. Если рассмотреть единый протокол, где
Л
Если некоррелированные подсистемы взаимодействуют с измерительным прибором (либо параллельно одновременно, либо последовательно), то можно показать, что для любого фиксированного
δ
>
0
lim
Л
→
∞
‖
П
Рожденный
(
Л
)
(
δ
)
|
ψ
(
т
ф
)
⟩
−
|
ψ
(
т
ф
)
⟩
‖
=
0
,
(8)
где
П
Рожденный
(
Л
)
(
δ
)
проецирует окончательную универсальную волновую функцию
|
ψ
(
т
ф
)
⟩
на подпространство, совместимое с правилом Борна с точностью до ошибки
δ
Этот результат, по сути, является законом больших чисел и уже использовался Эвереттом (Everett Everett) .1957( см. также ссылки на работы Сондерса (2010); Агирре и Тегмарк (2011); Лазаровичи (2023) ), но он критически зависит от предполагаемой независимости измеряемых систем. Очевидно, если Вселенная представляет собой лишь одну волновую функцию, она полна микроскопических корреляций, которые сформировались в ходе ее эволюции или уже присутствовали изначально. Здесь мы показали, что уравнение ( 8 ) возникает также в нашей равновесной модели без предположения о независимости или некоррелированных подсистемах. Это следует из
q
(
н
)
≈
п
(
н
)
и концентрация
п
(
н
)
вблизи своего среднего значения, что, безусловно, требует более тщательного аналитического подхода в будущем.
В то время как предыдущие два абзаца обобщили два однозначных основных результата нашего исследования, остается большой вопрос, можно ли использовать структуру (де)когерентности вместе с уравнением ( 8 ) для объяснения правила Борна в рамках многомерной интерпретации мира в целом . Краткий и честный ответ: мы скептически настроены, но мы не знаем!
Чтобы поместить этот вопрос в контекст, вспомним попытки вывести правило Борна в рамках многообразия интерпретаций Эверетта (1957); ДеВитт и Грэм (1973); Вайдман (1998); Deutsch (1999Уоллес (2003); Гривз (2004); Зурек (2005); Сондерс (2010); Сондерс и др. (2010); Агирре и Тегмарк (2011Уоллес (2012); Себенс и Кэрролл (2018); Масанес и др. (2019); МакКуин и Вайдман (2019); Вайдман (2020); Сондерс (2021); Вайдман (2021); Зурек (2022); Короткий (2023); Лазаровичи (2023) , но все они опираются на дополнительные постулаты, и ни один из них не смог убедить противников ( Саундерс и др. ) .2010); Модлин (2019) — не говоря уже о том, что даже предложенные решения демонстрируют поразительное отсутствие консенсуса между собой. В частности, так называемая проблема подтверждения теории спрашивает, почему мы оказываемся в мире, совместимом с правилом Борна, если подавляющее большинство ветвей с ним несовместимо? Действительно, число миров, простым подсчетом, всегда определяется биномиальным коэффициентом.
(
Л
н
)
центрированный вокруг
⟨
н
⟩
=
Л
/
2
Таким образом, для
п
1
∈
(
0
,
1
)
∖
{
1
/
2
}
Член в уравнении ( 8 ), хотя и мал по отношению к норме гильбертова пространства, содержит большинство миров и, как подчеркивает Кент (2010« С научной точки зрения не более достойно заявлять, что мы можем […] подтвердить эвереттовскую квантовую теорию, игнорируя наблюдения, сделанные на отдельных ветвях с низкой борновской массой […] если мы не добавим к теории дополнительную структуру […]» .
В нашей упрощенной модели мы ясно видим, как подобная дальнейшая структура возникает из самого уравнения Шрёдингера, то есть мы находим однозначное решение проблемы квантового измерения для, возможно, нерелевантной модели Мультивселенной. К сожалению, нет никаких доказательств того, что это может решить проблему подтверждения теории в целом, но, учитывая разнообразие попыток, мы считаем, что это новое направление заслуживает внимания.
Наконец, мы попытаемся объяснить наши результаты с физической точки зрения. Напомним, что для декогеренции требуется укрупнение зерен, чтобы «скрыть» когерентность в недоступных микроскопических степенях свободы, но если эти микроскопические степени свободы ограничены эволюционацией в малом и нетипичном подпространстве, они больше не могут эффективно вызывать декогеренцию. Мы считаем, что наблюдаем этот эффект здесь: как
Л
Когда значение становится большим, некоторые последовательности ограничивают относительное состояние на этой ветви очень малым и нетипичным подпространством, тем самым предотвращая декогеренцию. Этот эффект может быть связан с недавним результатом в статистической механике чистых состояний, полученным Даулингом и др. (2023a,б) , где авторы показали, что различимость между произвольным квантовым процессом, выборка которого производится в
Л
Случайные моменты времени из соответствующего равновесного процесса ограничены числом, которое масштабируется как
2
2
Л
/
Д
в худшем случае, таким образом, выявляя конкуренцию между
Л
и
Д
Однако эффект кажется незначительным, поскольку уже на рис. 3 показано, что увеличение размерности гильбертова пространства не обязательно снижает согласованность между всеми ветвями. Более того, не имеет значения, способны ли мы, люди, практически использовать информацию, содержащуюся в последовательности x, для вывода истинного относительного состояния. В рамках реалистической позиции, лежащей в основе многомерной интерпретации мира, вопрос заключается в том, является ли относительное состояние, совместимое со всей имеющейся информацией, универсальным или нет.
Заключительные перспективы. Мы продемонстрировали, что дерево множественных миров может иметь нетривиальную структуру, противоречащую наивному ветвевому реализму, лежащему в основе многих аргументов как сторонников, так и противников многомировой теории. Мы также показали, что уравнение ( 8 ) справедливо в унитарно эволюционирующей и квантово коррелированной Вселенной. Наконец, мы наблюдали появление правила Борна (которое, что интересно, также является особенностью теории де Бройля-Бома Валентини и Вестмана (2005); Валентини (2010) ) в рамках нашей игрушечной модели, но у нас нет доказательств того, что это верно в общем случае.
Хотя многие вопросы остаются открытыми, данный подход демонстрирует, что фундаментальные аспекты многомировой теории могут быть изучены с помощью одного лишь уравнения Шрёдингера (в нерелятивистском контексте) без приближений или дополнительных метафизических постулатов. У нас есть инструменты для строгого анализа декогеренции (длительных) историй и структуры (потенциальной) квантово-механической Мультивселенной (см. также работу Страсберга и др. ) .2023a) ), и она может быть полна чудесных открытий. Будут ли они говорить за или против многомировой интерпретации, еще предстоит выяснить.
Благодарности. Мы выражаем благодарность Терезе Э. Райнхард и Джулио Гасбарри за проведенные обсуждения. Мы также благодарим MICINN за финансовую поддержку в рамках программы Европейского союза NextGenerationEU (PRTR-C17.I1) и правительства Каталонии (проект 2017-SGR-1127). PS также получает поддержку от фонда «la Caixa» (ID 100010434, код стипендии LCF/BQ/PR21/11840014), гранта Европейской комиссии QuantERA ExTRaQT (испанский проект MICIN PCI2022-132965) и испанского MINECO (проект PID2019-107609GB-I00) при поддержке фондов FEDER.
Ссылки
Эверетт (1957)
Х. Эверетт, «Формулировка квантовой механики как «относительного состояния»», Rev. Mod. Phys. 29 , 454–462 (1957) .
Витт (1970)
Б.С. Де Витт, «Квантовая механика и реальность», Phys. Today 23 , 30 (1970) .
ДеВитт и Грэм (1973)
Б.С. ДеВитт и Н. Грэм (ред.), Многомировая интерпретация квантовой механики , том 63 (Princeton University Press, Принстон, 1973).
Тегмарк (2003)
М. Тегмарк, «Параллельные вселенные», Sci. Am. 288 , 40–51 (2003) .
Карр (2007)
Б. Карр (ред.), Вселенная или мультивселенная? (Cambridge University Press, Кембридж, 2007).
Сондерс и др. (2010)
С. Сондерс, Дж. Барретт, А. Кент и Д. Уоллес (ред.), Много миров? Эверетт, квантовая теория и реальность (Oxford University Press, Оксфорд, 2010).
Уоллес (2012)
Д. Уоллес, Возникающая мультивселенная: квантовая теория согласно интерпретации Эверетта (Oxford University Press, Оксфорд, 2012).
Вайдман (2021)
Л. Вайдман, «Стэнфордская энциклопедия философии» (2021), глава «Многомировая интерпретация квантовой механики», издание осень 2021 г.
Кэрролл (2022)
С. Кэрролл, «Соло: Философия мультивселенной», подкаст на сайте www.preposterousuniverse.com (2022).
Зурек (2003)
WH Zurek, «Декогеренция, эйнселекция и квантовые истоки классического», Rev. Mod. Phys. 75 , 715–775 (2003) .
Йоос и др. (2003)
Е. Йоос, Х. Д. Зех, К. Кифер, Д. Джулини, Дж. Купш и И.-О. Стаматеску, Декогеренция и появление классического мира в квантовой теории (Springer, Берлин-Гейдельберг, 2003).
Гелл-Манн и Хартл (1990)
М. Гелл-Манн и Дж. Б. Хартл, «Сложность, энтропия и физика информации» (Рединг: Addison-Wesley, 1990), глава «Квантовая механика в свете квантовой космологии», стр. 425–459.
Омнес (1992)
Р. Омнес, «Последовательные интерпретации квантовой механики», Rev. Mod. Phys. 64 , 339–382 (1992) .
Халливелл (1995)
Дж. Дж. Холливелл, «Обзор подхода к квантовой механике на основе декогерентных историй», Ann. (NY) Acad. Sci. 755 , 726–740 (1995) .
Доукер и Кент (1996)
Ф. Доукер и А. Кент, «О подходе к квантовой механике с использованием согласованных историй», J. Stat. Phys. 82 (1996), 10.1007/BF02183396 .
Гриффитс (2001)
Р. Б. Гриффитс, «Последовательная квантовая теория» (Cambridge University Press, Кембридж, 2001).
Гриффитс (2019)
Р. Б. Гриффитс, «Стэнфордская энциклопедия философии» (2019), глава «Подход к квантовой механике на основе последовательных историй», издание лета 2019 г.
ван Кампен и др. (2000)
Н.Г. ван Кампен, Б. ДеВитт, С. Гольдштейн, Дж. Брикмон, Р.Б. Гриффитс и Р. Омнес, «Квантовые истории, тайны и измерения», Phys. Today 53 , 76 (2000) .
Альбрехт (1992)
А. Альбрехт, «Исследование декогеренции в простой системе», Phys. Rev. D 46 , 5504–5520 (1992) .
Гелл-Манн и Хартл (1993)
М. Гелл-Манн и Дж. Б. Хартл, «Классические уравнения для квантовых систем», Phys. Rev. D 47 , 3345–3382 (1993) .
Финкельштейн (1993)
Дж. Финкельштейн, «Определение декогеренции», Phys. Rev. D 47 , 5430–5433 (1993) .
Паз и Зурек (1993)
JP Paz и WH Zurek, «Декогеренция, классичность и согласованность квантовых историй, вызванные окружающей средой», Phys. Rev. D 48 , 2728–2738 (1993) .
Халливелл (1999a)
Дж. Дж. Холливелл, «Где-то во Вселенной: где хранится информация, когда происходит декогеренция истории?» Phys. Rev. D 60 , 105031 (1999a) .
Додд и Холливелл (2003)
П. Дж. Додд и Дж. Дж. Холливелл, «Декогеренция и записи для случая рассеивающей среды», Phys. Rev. D 67 , 105018 (2003) .
Ридель и др. (2016)
CJ Riedel, WH Zurek и M. Zwolak, «Объективное прошлое квантовой вселенной: избыточные записи согласованных историй», Phys. Rev. A 93 , 032126 (2016) .
Хартл (2016)
Дж. Б. Хартл, «Декогерентные истории квантовой механики, начинающиеся с записей о происходящем», arXiv 1608.04145 (2016) .
Геммер и Штайнигевег (2014)
Дж. Геммер и Р. Штайнигевег, «Увеличение энтропии в
к
«Марковская и согласованная динамика замкнутых квантовых систем в виде шагов», Phys. Rev. E 89 , 042113 (2014) .
Страсберг (2023)
П. Страсберг, «Классичность с (без) декогеренции: концепции, связь с марковством и подход теории случайных матриц», SciPost Phys. 15 , 024 (2023) .
Страсберг и др. (2023a)
П. Страсберг, Т. Э. Рейнхард и Дж. К. Шиндлер, «Всё, везде и сразу: численное доказательство возникновения декогерентных историй на основе первых принципов», arXiv: 2304.10258 (2023a) .
Горин и др. (2008)
Т. Горин, К. Пинеда, Х. Колер и Т.Х. Селигман, «Теория декогеренции на основе случайных матриц», New Journal of Physics 10 , 115016 (2008) .
Генвей и др. (2013)
С. Генвей, А.Ф. Хо и Д.К.К. Ли, «Динамика термализации и декогеренции наноразмерной системы», Phys. Rev. Lett. 111 , 130408 (2013) .
Альбрехт и др. (2022)
А. Альбрехт, Р. Баунах и А. Аррасмит, «Выбор, равновесие и космология», Phys. Rev. D 106 , 123507 (2022) .
Ян и Зурек (2022)
Б. Ян и В.Х. Зурек, «Фактор декогеренции как свертка: взаимодействие между гауссовой и экспоненциальной потерями когерентности», New J. Phys. 24 , 113029 (2022) .
Перейра (1991)
П. Перейра, «Модель случайной матрицы для диссипативных двухуровневых систем», J. Stat. Phys. 65 , 773–792 (1991) .
Эспозито и Гаспар (2003)
М. Эспозито и П. Гаспар, «Релаксация спина в сложной среде», Phys. Rev. E 68 , 066113 (2003) .
Лебовиц и Пастур (2004)
JL. Лебовиц и Л. Пастур, «Модель релаксации на основе случайной матрицы», J. Phys. A 37 , 1517 (2004) .
Бартш и др. (2008)
C. Bartsch, R. Steinigeweg и J. Gemmer, «Возникновение экспоненциальной релаксации в замкнутых квантовых системах», Phys. Rev. E 77 , 011119 (2008) .
Риера-Кампени и др. (2021)
А. Риера-Кампени, А. Санпера и П. Страсберг, «Квантовые системы, коррелированные с конечной ванной: неравновесная динамика и термодинамика», PRX Quantum 2 , 010340 (2021) .
Вигнер (1967)
Э. Вигнер, «Случайные матрицы в физике», SIAM Reviews 9 , 1–23 (1967) .
Броди и др. (1981)
TA Brody, J. Flores, JB French, PA Mello, A. Pandey и SSM Wong, «Физика случайных матриц: спектральные и силовые флуктуации», Rev. Mod. Phys. 53 , 385–479 (1981) .
Бинаккер (1997)
CWJ Beenakker, «Теория квантового транспорта на основе случайных матриц», Rev. Mod. Phys. 69 , 731–808 (1997) .
Гур и др. (1998)
Т. Гур, Мюллер-Гролинг А. и Х.А. Вайденмюллер, «Теории случайных матриц в квантовой физике: общие понятия», Phys. Rep. 299 , 189–425 (1998) .
Хааке (2010)
Ф. Хааке, Квантовые подписи хаоса (Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2010).
Д'Алессио и др. (2016)
Л. Д'Алессио, Й. Кафри, А. Полковников и М. Ригол, «От квантового хаоса и термализации собственных состояний к статистической механике и термодинамике», Adv. Phys. 65 , 239–362 (2016) .
Deutsch (2018)
JM Deutsch, «Гипотеза термализации собственных состояний», Rep. Prog. Phys. 81 , 082001 (2018) .
Deutsch (1991)
JM Deutsch, «Квантовая статистическая механика в замкнутой системе», Phys. Rev. A 43 , 2046–2049 (1991) .
Средницкий (1994)
М. Средницкий, «Хаос и квантовая термализация», Phys. Rev. E 50 , 888–901 (1994) .
Средницкий (1999)
М. Средницкий, «Подход к тепловому равновесию в квантованных хаотических системах», J. Phys. A 32 , 1163–1175 (1999) .
Рейманн и Дабелоу (2021)
П. Райманн и Л. Дабелоу, «Усовершенствование подхода Дойча к термизации», Phys. Rev. E 103 , 022119 (2021) .
Фаркуар и Ландсберг (1957)
И. Э. Фаркуар и П. Т. Ландсберг, «О квантово-статистической эргодической и H-теоремах», Труды Королевского общества Лондона A 239 , 134–144 (1957) .
Боккьери и Лойнгер (1958)
П. Боккьери и А. Лойнгер, «Эргодическая теорема в квантовой механике», Phys. Rev. 111 , 668–670 (1958) .
Геммер и др. (2004)
Дж. Геммер, М. Мишель и Г. Малер, Квантовая термодинамика , том 784 (Лекционные заметки по физике, Springer, Гейдельберг, 2004).
Попеску и др. (2006)
С. Попеску, Эй Джей Шорт и А. Винтер, «Запутанность и основы статистической механики», Nat. Phys. 2 , 754–758 (2006) .
Хейтманн и др. (2020)
Т. Хайтманн, Й. Рихтер, Д. Шуберт и Р. Штайнигевег, «Избранные приложения типичности к динамике квантовых многочастичных систем в реальном времени», Z. Naturforsch. A 75 , 421–432 (2020) .
Страсберг и др. (2023b)
П. Страсберг, А. Винтер, Дж. Геммер и Дж. Ван, «Классичность, марковсичность и локальное детальное равновесие из динамики чистых состояний», Phys. Rev. A 108 , 012225 (2023b) .
Ван Кампен (1954)
Н. Ван Кампен, «Квантовая статистика необратимых процессов», Physica 20 , 603–622 (1954) .
Халливелл (1999b)
Дж. Дж. Холливелл, «Декогерентные истории и возникающая классичность локальных плотностей», Phys. Rev. Lett. 83 , 2481–2485 (1999b) .
Сондерс (2010)
С. Сондерс, «Много миров? Эверетт, квантовая теория и реальность» (Oxford University Press, Оксфорд, 2010), глава «Случайность в интерпретации Эверетта», стр. 181–205.
Агирре и Тегмарк (2011)
А. Агирре и М. Тегмарк, «Рождение в бесконечной вселенной: космологическая интерпретация квантовой механики», Phys. Rev. D 84 , 105002 (2011) .
Лазаровичи (2023)
Д. Лазаровичи, «Как Эверетт решил проблему вероятности в эвереттовской квантовой механике», Quantum Rep. 5 , 407–417 (2023) .
Вайдман (1998)
Л. Вайдман, «О шизофренических переживаниях нейтрона, или почему мы должны верить в многомировую интерпретацию квантовой теории», Int. Stud. Phil. Sci. 12 , 245 (1998) .
Deutsch (1999)
Д. Дойч, «Квантовая теория вероятности и принятия решений», Труды Королевского общества Лондона, Серия A 455 , 3129–3137 (1999) .
Уоллес (2003)
Дэвид Уоллес, «Эвереттовская рациональность: защита подхода Дойча к вероятности в эвереттовской интерпретации», Stud. Hist. Phil. Sci. B 34 , 415–439 (2003) .
Гривз (2004)
Х. Гривз, «Понимание вероятности Дойча в детерминированной мультивселенной», Stud. Hist. Phil. Sci. B 35 , 423–456 (2004) .
Зурек (2005)
В. Х. Зурек, «Вероятности, возникающие из-за запутанности, правило Борна»
п
к
=
|
ψ
к
|
2
из энвариантности», Phys. Rev. A 71 , 052105 (2005) .
Себенс и Кэрролл (2018)
КТ Себенс и С.М. Кэрролл, «Самолокализующаяся неопределенность и происхождение вероятности в эвереттовской квантовой механике», Brit. J. Phil. Sci. 69 , 25–74 (2018) .
Масанес и др. (2019)
Л. Масанес, Т. Д. Галли и М. П. Мюллер, «Постулаты измерения квантовой механики являются операционально избыточными», Nat. Comm. 10 , 1361 (2019) .
МакКуин и Вайдман (2019)
К. Дж. Маккуин и Л. Вайдман, «В защиту теории неопределенности самолокализации вероятности в многомировой интерпретации», Stud. His. Phil. Sci. B 66 , 14–23 (2019) .
Вайдман (2020)
Л. Вайдман, «Выводы правила Борна», в книге «Квантовая теория вероятности, логика: работы и влияние Итамара Питовского» , под редакцией М. Хеммо и О. Шенкера (Springer International Publishing, Чам, 2020), стр. 567–584.
Сондерс (2021)
С. Сондерс, «Подсчет ветвей в эвереттовской интерпретации квантовой механики», Proc. R. Soc. A 477 , 20210600 (2021) .
Зурек (2022)
WH Zurek, «Квантовая теория классического: отбор, энвариантность, квантовый дарвинизм и экстантоны», Entropy 24 , 1520 (2022) .
Короткометражный фильм (2023)
Эй Джей Шорт, «Вероятность в теориях многих миров», Quantum 7 , 971 (2023) .
Модлин (2019)
Т. Модлин, Философия физики: Квантовая теория (Издательство Принстонского университета, Принстон, 2019).
Кент (2010)
А. Кент, «Много миров? Эверетт, квантовая теория и реальность» (Oxford University Press, Оксфорд, 2010), глава «Один мир против многих: неадекватность эвереттовских теорий эволюции, вероятности и научного подтверждения», стр. 307–354.
Даулинг и др. (2023a)
Н. Доулинг, П. Фигероа-Ромеро, Ф.А. Поллок, П. Страсберг и К. Моди, «Релаксация многовременной статистики в квантовых системах», Quantum 7 , 1027 (2023a) .
Даулинг и др. (2023b)
Н. Доулинг, П. Фигероа-Ромеро, Ф.А. Поллок, П. Страсберг и К. Моди, «Уравновешивание многовременных квантовых процессов в конечных временных интервалах», SciPost Phys. Core 6 , 043 (2023b) .
Валентини и Вестман (2005)
А. Валентини и Х. Вестман, «Динамическое происхождение квантовых вероятностей», Proc. R. Soc. A 461 , 253–272 (2005) .
Валентини (2010)
А. Валентини, «Много миров? Эверетт, квантовая теория и реальность» (Oxford University Press, Оксфорд, 2010). Глава. Теория пилотных волн де Бройля-Бома: много миров в отрицании?, стр. 476–509.
Приложение
Мы показываем, что
ϵ
(
м
,
н
)
2
=
|
⟨
ψ
(
м
)
|
ψ
(
н
)
⟩
|
2
⟨
ψ
(
м
)
|
ψ
(
м
)
⟩
⟨
ψ
(
н
)
|
ψ
(
н
)
⟩
=
1
⇒
ϵ
(
х
,
й
)
2
=
|
⟨
ψ
(
х
)
|
ψ
(
й
)
⟩
|
2
⟨
ψ
(
х
)
|
ψ
(
х
)
⟩
⟨
ψ
(
й
)
|
ψ
(
й
)
⟩
=
1
(9)
для всех x и y таких, что
н
1
(
х
)
≠
н
1
(
й
)
Если вместо этого
м
≡
н
1
(
х
)
=
н
1
(
й
)
Из этого по определению следует, что
ϵ
(
м
,
м
)
=
1
Кроме того, мы также предполагаем, что
⟨
ψ
(
х
)
|
ψ
(
х
)
⟩
>
0
и
⟨
ψ
(
й
)
|
ψ
(
й
)
⟩
>
0
То есть мы исключаем все несуществующие ветви. Обратите внимание, что в нашем примере все ветви имеют ненулевой вес (даже если этот вес чрезвычайно мал).
Для проверки уравнения ( 9 ) отметим, что
ϵ
(
м
,
н
)
2
=
1
эквивалентно
0
=
∑
х
,
х
′
,
й
,
й
′
А
(
х
,
х
′
,
й
,
й
′
,
м
,
н
)
[
ϵ
(
х
,
й
)
ϵ
(
й
′
,
х
′
)
−
ϵ
(
х
,
х
′
)
ϵ
(
й
′
,
й
)
]
,
(10)
где
А
(
х
,
х
′
,
й
,
й
′
,
м
,
н
)
≡
⟨
ψ
(
х
)
|
ψ
(
х
)
⟩
⟨
ψ
(
х
′
)
|
ψ
(
х
′
)
⟩
⟨
ψ
(
й
)
|
ψ
(
й
)
⟩
⟨
ψ
(
й
′
)
|
ψ
(
й
′
)
⟩
δ
м
,
н
1
(
х
)
δ
н
,
н
1
(
й
)
δ
м
,
н
1
(
х
′
)
δ
н
,
н
1
(
й
′
)
(11)
С
А
(
х
,
х
′
,
й
,
й
′
,
м
,
н
)
>
0
если
м
≡
н
1
(
х
)
=
н
1
(
х
′
)
≠
н
≡
н
1
(
й
)
=
н
1
(
й
′
)
, мы обнаруживаем, что условие
ϵ
(
м
,
н
)
2
=
1
для
м
≠
н
подразумевает
ϵ
(
х
,
й
)
ϵ
(
й
′
,
х
′
)
=
ϵ
(
х
,
х
′
)
ϵ
(
й
′
,
й
)
.
(12)
Теперь мы делаем выбор.
х
=
х
′
и
й
=
й
′
с
н
1
(
х
)
=
м
≠
н
1
(
й
)
=
н
что подразумевает
ϵ
(
х
,
й
)
=
1
с
ϵ
(
х
,
х
)
=
1
по определению.
Shearing Off the Tree:
Emerging Branch Structure and Born’s Rule in an Equilibrated Multiverse
Philipp Strasberg and Joseph Schindler
F´ısica Teorica: Informaci´o i Fenomens Quantics, Departament de F´ısica,
Universitat Autonoma de Barcelona, 08193 Bellaterra (Barcelona), Spain
(Dated: February 3, 2026)
Within the many worlds interpretation (MWI) it is believed that, as time passes on, the linearity
of the Schr¨odinger equation together with decoherence generate an exponentially growing tree of
branches where “everything happens”, provided the branches are defined for a decohering basis. By
studying an example, using exact numerical diagonalization of the Schr¨odinger equation to compute
the decoherent histories functional, we find that this picture needs revision. Our example shows
decoherence for histories defined at a few times, but a significant fraction (often the vast majority)
of branches shows strong interference effects for histories of many times. In a sense made precise
below, the histories independently sample an equilibrated quantum process, and, remarkably, we
find that only histories that sample frequencies in accordance with Born’s rule remain decoherent.
Our results suggest that there is more structure in the many worlds tree than previously anticipated,
influencing arguments of both proponents and opponents of the MWI.
Recent decades have seen intensified research interests
in Everett’s “relative state” formulation of quantum mechanics [1], which became widely known as the many
worlds interpretation (MWI) [2–9]. One reason of its
increased popularity is the development of decoherence
theory [10, 11], which can be used to investigate which
“worlds” behave classical, i.e., are decohered.
Provided one focuses on a basis that decoheres, the
many worlds “Multiverse” is conventionally pictured as
a branching tree with an exponentially growing number
of branches as time passes on (we restrict the discussion to nonrelativistic quantum mechanics with a primitive time parameter). This is easily seen for a many
worlds description of an idealized frequency experiment,
in which a system in a superposition is (re)prepared and
measured many times, see Fig. 1(a). Note, however, that
a branching could happen for any quantum fluctuation
suitably coupled to a macroscopic degree of freedom that
decoheres. This is the standard picture of the Multiverse
used by both proponents and opponents of the MWI [2–
9] and sometimes even classical toy-many-worlds-models
are used to explain aspects of the MWI.
Yet, the question how long this picture can remain true
has not been addressed, it is only clear that decoherence
can not proliferate forever in any (effectively) finite dimensional system. Here, we investigate this question in
detail by means of a clear example using decoherent histories. We find that decoherence does not stop globally
but continues unchanged on a (typically extremely small)
subset of branches. This suggests that the many worlds
tree has a non-trivial and potentially rich structure.
We continue with the general mathematical formalism
and explain how to investigate the decoherence properties of exponentially many branches. Then, we specify a model that can be related to sampling an equilibrated quantum process in an idealized frequency experiment with L independent and repeated trials (however,
even if one rejects this interpretation, the numerical results clearly demonstrate the hitherto unobserved phe0
0
0
1
1
11 1 1
1
0 0
0
0
Figure 1. (a) Tree structure of the Multiverse for a repeated
binary “0 or 1” measurement: The standard account posits
the reality of all branches (dashed and solid lines), but our
results show that only a subset decoheres (solid lines). (b)
Trajectory for the probability to obtain outcome ‘one’ conditioned on one branch (pink line in (a)). The numerical
parameters of (b) are the same as in Fig. 2 with D = 25000.
nomenon of a non-trivial (de)coherence structure among
the branches). At the end, we discuss the remarkable observation that all decohering branches sample frequencies
in accordance with Born’s rule.
Formalism. To access the decoherence of branches at
many times L ≫ 1 it is natural to use the decoherent histories formalism [12–17]. We are aware of controversies
about its use in relation to interpretations of quantum
physics, e.g., in Ref. [18]. In relation to our work, we reject this criticism as we only use the mathematical framework and do not postulate decoherent histories (instead,
arXiv:2310.06755v3 [quant-ph] 2 Feb 2026
2
we study their emergence based solely on the Schr¨odinger
equation). Seen from that perspective, little controversy
remains about the fact that decoherent histories capture
an essential aspect of classicality, even though they might
not capture all aspects. In particular, various researchers
have established a close connection between decoherent
histories and the formation of stable records or memories,
an important prerequisite to identify classical branches
that could support observers [19–26].
Mathematically, we use a complete set of orthogonal
projectors Πx associated with some abstract and for simplicity binary property x ∈ {0, 1} that decomposes the
Hilbert space of an isolated system. The initial state is
|ψ(t0)⟩ and the unitary time evolution operator from tk
to tℓ is denoted Uℓ,k. Then, the state compatible with
having properties xi at times ti for i ∈ {1, 2, . . . , L} is
|ψ(x)⟩ = ΠxL UL,L−1 · · · Πx2U2,1Πx1U1,0|ψ(t0)⟩ (1)
and x = (xL, . . . , x2, x1) is called a history. Note that x
merely labels the branches |ψ(x)⟩ of a unitarily evolving
global pure state as per
|ψ(tL)⟩ = UL,0|ψ(t0)⟩ =
X
x
|ψ(x)⟩. (2)
No actual measurement happens in the isolated system.
Now, two different histories x and y are decoherent if
ϵ(x, y) ≡
|⟨ψ(y)|ψ(x)⟩|
p
⟨ψ(x)|ψ(x)⟩
p
⟨ψ(y)|ψ(y)⟩
≪ 1. (3)
Note that ϵ(x, y) ≤ 1 by Cauchy-Schwarz’ inequality.
Unfortunately, the 2L many relative states |ψ(x)⟩ make
the evaluation of Eq. (3) for L ≫ 1 practically impossible.
Therefore, we focus our attention on a specific question
(whose motivation will become clear below) and introduce the relative state
|ψ(m)⟩ ≡ X
x
δm,n1(x)
|ψ(x)⟩, m ∈ {0, 1, . . . , L}. (4)
Here, δm,n is the Kronecker symbol and n1(x) ≡
PL
i=1 xi
the
P
net number of ‘ones’ in x. These states still satisfy
m |ψ(m)⟩ = |ψ(tL)⟩ and P
m ⟨ψ(m)|ψ(m)⟩ = 1. They
therefore label a complete set of branches in which potential observers care only about the relative frequency
m/L of ‘ones’ but forgot the information about which
particular sequence x was realized.
Toy model. Within this binary setting any Hamiltonian can be written as
H =
H00 H01
H10 H11
(5)
with Hij = ΠiHΠj . For reasons we explain below,
we take H00 (H11) to be diagonal matrices with d0
(d1) evenly spaced eigenenergies in the interval [0, δϵ]
(in the simulation we set δϵ = 0.5) such that the total Hilbert space dimension is D = d0 + d1. These
subspaces interact via H01 = H
†
10 = λR, where R is
a random matrix uniformly filled with zero-mean-unitvariance Gaussian random numbers and λ is a coupling
strength. We will restrict the discussion now to the relevant weak coupling regime, described by the condition
c ≡ 8λ
2d0d1/(Dδϵ2
) ≪ 1, but we later also study numerically the strong coupling regime.
We first note about this model that decoherence for
small L is established [27–29]. In addition, within an
open system approach, Π0 and Π1 can be seen as projectors onto pointer states of a two-level system weakly
coupled to an environment of dimension D/2. Environmentally induced decoherence has been also established
in this case (e.g., in Refs. [30–33]), but it is not necessary to refer to any system-environment tensor product
structure in the following. Moreover, equilibration and
thermalization of this model is also well established (e.g.,
in Refs. [34–38]) and the characteristic relaxation time
scale is well described by τ = δϵ/(2πλ2D) [37].
This toy model can therefore be regarded as an
archetype model behaving in agreement with decoherence
theory and statistical mechanics. Moreover, the success
of random matrix theory to describe generic properties
of complex systems [39–45] motivates the conjecture that
it also captures relevant aspects of realistic systems, in
particular owing to the close connection between random
matrix theory and realistic quantum many-body systems
(eigenstate thermalization hypothesis [44–49]).
Finally, we choose a Haar random initial state |ψ(t0)⟩
and times tj+1 − tj ≫ τ (numerically, we randomly sample tj+1 − tj ∈ [19.5τ, 20.5τ ]). The latter choice ensures that the projectors Πx reach their equilibrium value
⟨Πx⟩ ≈ dx/D (with exponentially suppressed fluctuations around its mean [50–54]) before each tj , as shown
in Fig. 1(b). Thus, from a macroscopic point of view the
systems looks identically prepared at each tj , although
subtle, hidden microscopic correlations remain, of course.
These considerations motivate the picture of an idealized frequency experiments of an equilibrated quantum
process, where |ψ(m)⟩ is associated with a record of m
‘ones’ after L independent trials—provided the branch
decoheres to allow the formation of a record. These statements will be precisely quantified below. Here, we only
remark that, of course, our toy model is unable to capture
any realistic experimental setup owing to obvious numerical limitations. We use the convenient metaphor of a frequency experiments because we capture the key aspect
of having a binary degree of freedom (which, as noted
above, could label the states of an open quantum system coupled to a complicated laboratory environment)
probed and (re)prepared many times in a seemingly independent way. Moreover, our main point—the emergence of a non-trivial and non-classical branch structure
of the many-worlds tree—does not rely on this purported
connection.
In particular, we like to counteract sceptical voices announcing that the random Hamiltonian or the random
initial state introduce classical noise or probabilities from
3
1.0 0.5 0.0 0.5 1.0
2(n ¡
n
®
)=L
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
(c) D = 250; L = 250
0.5 0.0 0.5 1.0
2(n ¡
n
®
)=L
(d) D = 25000; L = 250
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
(a) D = 250; L = 25 (b) D = 25000; L = 25 ²
p=pmax
q=pmax
Figure 2. Coherence measure ϵ(n) (blue circles) and probabilities p(n) (solid purple line) and q(n) (black stars) as a
function of n. Here and in all figures: ⟨n⟩ = Ld1/D is the
expected number of ones according to p(n), we always rescale
p(n) and q(n) by dividing by pmax = maxn p(n), the x axis is
rescaled to display n on an interval of size two, and the gray
area corresponds to one standard deviation of p(n).
the outside into our treatment. This is wrong because
all presented numerical results are obtained for a single
choice of H (kept fixed throughout the dynamics) and
a single choice of |ψ(t0)⟩, we do not perform any averages. The global state remains pure at all times and all
uncertainties are entirely of quantum origin. Nevertheless, and very importantly, we have observed the results
to be generic, i.e., different choices for H and |ψ(t0)⟩
give rise to similar behaviour. Backed up by the success
of random matrix theory [39–45] and typicality [52, 54],
this motivates the conclusion that our results are more
widely applicable.
Numerical evidence. In all plots we quantify the
amount of (de)coherence by considering
ϵ(n) = max
m̸=n
|⟨ψ(m)|ψ(n)⟩|
p
⟨ψ(m)|ψ(m)⟩
p
⟨ψ(n)|ψ(n)⟩
∈ [0, 1]. (6)
If ϵ(n) is close to zero, the branch giving rise to n ‘ones’ is
decohered from all other branches and allows the formation of stable, classical records; whereas ϵ(n) close to one
implies strong interference with other branches m ̸= n,
preventing a formation of reliable records. Note that
strong coherence between the branches |ψ(n)⟩ implies
also strong coherence between the fine-grained branches
|ψ(x)⟩ as shown in the Appendix.
1.5 1.0 0.5 0.0
2(n ¡
n
®
)=L
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
(a) L = 25
1.5 1.0 0.5 0.0
2(n ¡
n
®
)=L
(b) L = 250
² (D = 25000)
² (D = 250)
p=pmax
q=pmax
Figure 3. Coherence measure ϵ(n) for D = 250 (orange
squares) and D = 25000 (blue circles) and probabilities p(n)
and q(n) (as in Fig. 2) for D = 25000 as a function of n.
Moreover, we also compare the two probabilities
q(n) ≡ ⟨ψ(n)|ψ(n)⟩, p(n) ≡
L
n
p
n
1
(1 − p1)
L−n
, (7)
where q(n) is the exact probability to observe n times
‘one’, whereas p(n) is obtained by applying Born’s rule
with a single-time probability p1 to observe x = 1 for
L independent trials. Thus, p(n) is a binomial distribution and from what we said above we expect (and verify
below) that p1 = d1/D.
We start with equal subspace dimensions d0 = d1 and
ensure weak coupling by setting c = 0.0025. The time
evolution of a single history along a particular branch for
a few steps then looks as in Fig. 1 (b) in unison with our
expectations. Turning to longer histories, Fig. 2 displays
ϵ(n), q(n) and p(n). First, in Figs. 2(a) and (b) we consider a history of length L = 25 and compare two system
sizes: D = 250 and D = 25000. We confirm that decoherence is much stronger for larger system size, in unison
with the scaling laws of Refs. [28, 29, 55]. Moreover, we
have q(n) ≈ p(n) for D = 25000, but see significant deviations for D = 250 owing to the strong influence of finite
size effects. Thus, we see probabilities q(n) emerging that
start to behave as in an ideal frequency experiment for
large D. However, the coherences ϵ(n) do not yet show
any clear pattern, but L = 25 is still quite short.
Things start to change drastically for long histories
with L = 250 as shown in Figs. 2(c) and (d). Suddenly,
there is a very clear minimum around n ≈ ⟨n⟩. Remarkably, away from it ϵ(n) shoots up close to its maximum
value for both D = 250 and D = 25000, signifying the
strongest possible coherences. Moreover, we see now that
q(n) perfectly fits p(n) for D = 25000, whereas strong
deviations continue to exist for D = 250 (as expected).
Thus, for D = 25000 we are close to an ideal frequency
experiment, and coherent effects start growing approximately when |n − ⟨n⟩| exceeds one standard deviation.
However, the 50/50 splitting of the subspaces is special,
and to challenge our approach we continue by considering
a 20/80 splitting with d1 = 4d0, implying p1 = 0.8. The
results are shown in Fig. 3, where we display ϵ(n) for
4
0.5 0.0 0.5 1.0
2(n ¡
n
®
)=L
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
(a) c = 0:25
0.5 0.0 0.5 1.0
2(n ¡
n
®
)=L
(b) c = 25:0
²
p=pmax
q=pmax
Figure 4. Plot of ϵ(n), p(n) and q(n) for L = 250 and D =
25000 (legend as in Fig. 2). For (b) we rescaled τ to 10τ to
ensure equilibration between different trials.
D = 250 and D = 25000 jointly in one plot, whereas we
plot q(n) and p(n) only for D = 25000. In Fig. 3(a) we
can now see some clear signatures for large coherences
ϵ(n) if n deviates significantly from ⟨n⟩ even for short
histories of length L = 25. Moreover, in both Figs. 3(a)
and (b) we see that ϵ(n) for D = 25000 can be larger than
ϵ(n) for D = 250, contrary to what one would expect
from the scaling behaviour for small L [28, 29, 55]. Apart
from these additional observations, the evidence in Fig. 3
matches the conclusions from Fig. 2.
Finally, we consider the strong coupling case as a counterexample. Indeed, decoherent histories are expected to
emerge only for slow and coarse observables of a large dimensional system [20, 28, 29, 55–57], but at strong coupling the observable is no longer slow. The numerical
results for L = 250 and D = 25000 with d0 = 3d1/2 are
shown in Fig. 4 (a) for c = 0.25 (moderate coupling) and
(b) for c = 25.0 (very strong coupling). Figure 4(a) still
admits an interpretation along the lines of the previous
figures, showing a certain robustness of our results. Nevertheless, deviations between q(n) and p(n) become noticably visible, in particular around n ≈ ⟨n⟩. The picture
drastically changes for very strong coupling in Fig. 4(b).
While ϵ(n) still shows some non-trivial structure, it seems
hard to relate it to any physical properties. Moreover,
q(n) and p(n) are completely distinct, indicating strong
correlations between the trials.
Before turning to a broader discussion, it is worth to
summarize our numerical results within the MWI. First,
for L ≫ 1 the decohering branches of the universal wave
function of our toy model are only those sequences where
m/L ≈ p1. Observers inside it (which, admittably, are
hard to picture here) and without prior knowledge of
Born’s rule would therefore (self)locate themselves in
worlds obeying Born’s rule, i.e., they could infer the validity of the purple solid line in Fig. 2 and 3. Moreover,
the fact that p(n) ≈ q(n) (which is something an observer
inside the Multiverse could not confirm) proves that the
sampled frequencies correspond to independent trials.
Discussion. To the best of our knowledge, this is
the first study investigating decoherence properties for
L ≫ 1. In contrast to the widely held believe that singletime decoherence proliferates together with the branches,
we have shown that the many worlds tree possesses a nontrivial structure charactrized by branches that show the
highest possible degree of coherence, i.e., ϵ(n) ≈ 1.
Moreover, we established a connection to another important result. If one consider a unitary protocol where
L decorrelated subsystems interact with a measurement
apparatus (either in parallel at the same time or sequentially), then it can be shown that for any fixed δ > 0
lim
L→∞
Π
(L)
Born(δ)|ψ(tf )⟩ − |ψ(tf )⟩
= 0, (8)
where Π(L)
Born(δ) projects the final universal wave function
|ψ(tf )⟩ onto a subspace compatible with Born’s rule up
to an error δ. This result is in essence the law of large
numbers and was already used by Everett [1] (see also
Refs. [58–60]), but it relies crucially on the assumed independence of the measured systems. Obviously, if the
Universe is only a single wave function, it is full of microscopic correlations that have formed during its evolution or were already present initially. Here, we showed
that Eq. (8) emerges also in our equilibrated model without assuming independence or decorrelated subsystems.
This follows from q(n) ≈ p(n) and the concentration of
p(n) around its mean, which clearly calls for a rigorous
analytical result in the future.
Whereas the previous two paragraphs summarized two
unambiguous main results of our study, a remaining big
question is whether the structure of (de)coherence together with Eq. (8) can be used to explain Born’s rule
within the MWI in general. The short and honest answer
is: We are sceptical, but we do not know!
To put this question in context, we recall the attempts
to derive Born’s rule within the MWI [1, 3, 6–8, 58–72],
but all rely on additional postulates and none could convince its opponents [6, 73]—not to mention that even the
proposed solutions show a remarkable lack of consensus
among themselves. In particular, the so-called theory
confirmation problem asks why do we find ourselves in
a world compatible with Born’s rule if the vast majority
of branches is incompatible with it? Indeed, the number
of worlds is, by simple counting, always given by a binomial coefficient L
n
centered around ⟨n⟩ = L/2. Thus, for
p1 ∈ (0, 1) \ {1/2} the term in Eq. (8), while small with
respect to the Hilbert space norm, contains the majority
of worlds and, as Kent emphasizes [74], “It’s no more scientifically respectable to declare that we can [...] confirm
Everettian quantum theory by neglecting the observations
made on selected low Born weight branches [...] unless
we add further structure to the theory [...].”
In our toy model, we clearly see such further structure emerging from the Schr¨odinger equation itself, i.e.,
we find an unambiguous resolution of the quantum measurement problem for an arguably irrelevant model of the
Multiverse. Unfortunately, there is no evidence that this
could solve the theory confirmation problem in general,
but in light of the variety of attempts we believe this
5
novel direction deserves attention.
Finally, we try to give some physical intuition for our
results. Recall that decoherence requires coarse-graining
to “hide” coherences in inaccessible microscopic degrees
of freedom, but if these microscopic degrees of freedom
are restricted to evolve in a small and non-generic subspace, they no longer can induce decoherence effectively.
We believe that we observe this effect here: as L becomes large, some sequences restrict the relative state on
this branch to a very small and non-generic subspace,
thus preventing decoherence. This effect might be related to a recent result in pure state statistical mechanics [75, 76], where the authors showed that the distinguishability between an arbitrary quantum process sampled at L random times from a corresponding equilibrium
process is bounded by a number that scales as 22L/D
in the worst case, thus revealing a competition between
L and D. However, the effect seems subtle as already
Fig. 3 shows that increasing the Hilbert space dimension does not necessarily decrease the coherence among
all branches. Moreover, it does not matter whether we
humans are able to practically use the information contained in a sequence x to infer the true relative state.
Within the realist stance behind the MWI it is a matter
of principle whether the relative state compatible with
all the information out there looks generic or not.
Concluding perspectives. We demonstrated that
the many worlds tree can have a non-trivial structure
conflicting with the naive branch realism that is found
behind many arguments of proponents and opponents of
the MWI alike. We further showed that Eq. (8) holds in a
unitarily evolving and quantum correlated Universe. Finally, we observed the emergence of Born’s rule (which,
interestingly, is also a feature of de Broglie-Bohm theory [77, 78]) within our toy model, but we have no evidence that this is true in general.
While many open questions remain, the present approach demonstrates that fundamental aspects of the
MWI can be studied by using nothing but Schr¨odinger’s
equation (in a non-relativstic context) without approximations or additional metaphysical postulates. We have
the tools to rigorously access the decoherence of (long)
histories and the structure of the (potential) quantum
mechanical Multiverse (see also Ref. [29]), and it might
be full of marvelous wonders. Whether they speak in
favour or against the MWI needs to be found out.
Acknowledgements. We gratefully acknowledge discussions with Teresa E. Reinhard and Giulio Gasbarri.
Finanical support by MICINN with funding from European Union NextGenerationEU (PRTR-C17.I1) and
by the Generalitat de Catalunya (project 2017-SGR1127) are acknowledged. PS is further supported by
“la Caixa” Foundation (ID 100010434, fellowship code
LCF/BQ/PR21/11840014), the European Commission
QuantERA grant ExTRaQT (Spanish MICIN project
PCI2022-132965), and the Spanish MINECO (project
PID2019-107609GB-I00) with the support of FEDER
funds.
[1] H. Everett, “”Relative State” Formulation of Quantum
Mechanics,” Rev. Mod. Phys. 29, 454–462 (1957).
[2] B. S. De Witt, “Quantum Mechanics and Reality,” Phys.
Today 23, 30 (1970).
[3] B. S. DeWitt and N. Graham, eds., The many-worlds
interpretation of quantum mechanics, Vol. 63 (Princeton
University Press, Princeton, 1973).
[4] M. Tegmark, “Parallel universes,” Sci. Am. 288, 40–51
(2003).
[5] B. Carr, ed., Universe or Multiverse? (Cambridge University Press, Cambridge, 2007).
[6] S. Saunders, J. Barrett, A. Kent, and D. Wallace, eds.,
Many Worlds? Everett, Quantum Theory, and Reality
(Oxford University Press, Oxford, 2010).
[7] D. Wallace, The Emergent Multiverse: Quantum Theory
According to the Everett Interpretation (Oxford University Press, Oxford, 2012).
[8] L. Vaidman, “The Stanford Encyclopedia of Philosophy,”
(2021) Chap. Many-Worlds Interpretation of Quantum
Mechanics, fall 2021 ed.
[9] S. Carroll, “Solo: The Philosophy of the Multiverse,”
Podcast at www.preposterousuniverse.com (2022).
[10] W. H. Zurek, “Decoherence, einselection, and the quantum origins of the classical,” Rev. Mod. Phys. 75, 715–
775 (2003).
[11] E. Joos, H. D. Zeh, C. Kiefer, D. Giulini, J. Kupsch,
and I.-O. Stamatescu, Decoherence and the Appearance of
a Classical World in Quantum Theory (Springer, Berlin
Heidelberg, 2003).
[12] M. Gell-Mann and J. B. Hartle, “Complexity, Entropy
and the Physics of Information,” (Reading: AddisonWesley, 1990) Chap. Quantum Mechanics in the Light of
Quantum Cosmology, pp. 425–459.
[13] R. Omnes, “Consistent interpretations of quantum mechanics,” Rev. Mod. Phys. 64, 339–382 (1992).
[14] J. J. Halliwell, “A Review of the Decoherent Histories
Approach to Quantum Mechanics,” Ann. (N.Y.) Acad.
Sci. 755, 726–740 (1995).
[15] F. Dowker and A. Kent, “On the consistent histories approach to quantum mechanics,” J. Stat. Phys. 82 (1996),
10.1007/BF02183396.
[16] R. B. Griffiths, Consistent Quantum Theory (Cambridge
University Press, Cambridge, 2001).
[17] R. B. Griffiths, “The Stanford Encyclopedia of Philosophy,” (2019) Chap. The Consistent Histories Approach
to Quantum Mechanics, summer 2019 ed.
[18] N. G. van Kampen, B. DeWitt, S. Goldstein, J. Bricmont, R. B. Griffiths, and R. Omnes, “Quantum Histories, Mysteries, and Measurements,” Phys. Today 53, 76
(2000).
[19] A. Albrecht, “Investigating decoherence in a simple system,” Phys. Rev. D 46, 5504–5520 (1992).
[20] M. Gell-Mann and J. B. Hartle, “Classical equations for
quantum systems,” Phys. Rev. D 47, 3345–3382 (1993).
[21] J. Finkelstein, “Definition of decoherence,” Phys. Rev. D
47, 5430–5433 (1993).
6
[22] J. P. Paz and W. H. Zurek, “Environment-induced decoherence, classicality, and consistency of quantum histories,” Phys. Rev. D 48, 2728–2738 (1993).
[23] J. J. Halliwell, “Somewhere in the universe: Where is the
information stored when histories decohere?” Phys. Rev.
D 60, 105031 (1999).
[24] P. J. Dodd and J. J. Halliwell, “Decoherence and records
for the case of a scattering environment,” Phys. Rev. D
67, 105018 (2003).
[25] C. J. Riedel, W. H. Zurek, and M. Zwolak, “Objective
past of a quantum universe: Redundant records of consistent histories,” Phys. Rev. A 93, 032126 (2016).
[26] J. B. Hartle, “Decoherent Histories Quantum Mechanics Starting with Records of What Happens,” arXiv
1608.04145 (2016).
[27] J. Gemmer and R. Steinigeweg, “Entropy increase in kstep Markovian and consistent dynamics of closed quantum systems,” Phys. Rev. E 89, 042113 (2014).
[28] P. Strasberg, “Classicality with(out) decoherence: Concepts, relation to Markovianity, and a random matrix
theory approach,” SciPost Phys. 15, 024 (2023).
[29] P. Strasberg, T. E. Reinhard, and J. C. Schindler, “Everything Everywhere All At Once: A First Principles
Numerical Demonstration of Emergent Decoherent Histories,” arXiv: 2304.10258 (2023).
[30] T. Gorin, C. Pineda, H. Kohler, and T. H. Seligman, “A
random matrix theory of decoherence,” New Journal of
Physics 10, 115016 (2008).
[31] S. Genway, A. F. Ho, and D. K. K. Lee, “Dynamics
of Thermalization and Decoherence of a Nanoscale System,” Phys. Rev. Lett. 111, 130408 (2013).
[32] A. Albrecht, R. Baunach, and A. Arrasmith, “Einselection, equilibrium, and cosmology,” Phys. Rev. D 106,
123507 (2022).
[33] B. Yan and W. H. Zurek, “Decoherence factor as a convolution: an interplay between a Gaussian and an exponential coherence loss,” New J. Phys. 24, 113029 (2022).
[34] P. Pereyra, “Random-matrix model for dissipative twolevel systems,” J. Stat. Phys. 65, 773–792 (1991).
[35] M. Esposito and P. Gaspard, “Spin relaxation in a complex environment,” Phys. Rev. E 68, 066113 (2003).
[36] J. L. Lebowitz and L. Pastur, “A random matrix model
of relaxation,” J. Phys. A 37, 1517 (2004).
[37] C. Bartsch, R. Steinigeweg, and J. Gemmer, “Occurrence of exponential relaxation in closed quantum systems,” Phys. Rev. E 77, 011119 (2008).
[38] A. Riera-Campeny, A. Sanpera, and P. Strasberg,
“Quantum Systems Correlated with a Finite Bath:
Nonequilibrium Dynamics and Thermodynamics,” PRX
Quantum 2, 010340 (2021).
[39] E. Wigner, “Random matrices in physics,” SIAM Reviews 9, 1–23 (1967).
[40] T. A. Brody, J. Flores, J. B. French, P. A. Mello,
A. Pandey, and S. S. M. Wong, “Random-matrix physics:
spectrum and strength fluctuations,” Rev. Mod. Phys.
53, 385–479 (1981).
[41] C. W. J. Beenakker, “Random-matrix theory of quantum
transport,” Rev. Mod. Phys. 69, 731–808 (1997).
[42] T. Guhr, M¨uller-Groeling A, and H. A.Weidenm¨uller,
“Random-matrix theories in quantum physics: common
concepts,” Phys. Rep. 299, 189–425 (1998).
[43] F. Haake, Quantum Signatures of Chaos (SpringerVerlag, Berlin Heidelberg, 2010).
[44] L. D’Alessio, Y. Kafri, A. Polkovnikov, and M. Rigol,
“From quantum chaos and eigenstate thermalization to
statistical mechanics and thermodynamics,” Adv. Phys.
65, 239–362 (2016).
[45] J. M. Deutsch, “Eigenstate thermalization hypothesis,”
Rep. Prog. Phys. 81, 082001 (2018).
[46] J. M. Deutsch, “Quantum statistical mechanics in a
closed system,” Phys. Rev. A 43, 2046–2049 (1991).
[47] M. Srednicki, “Chaos and quantum thermalization,”
Phys. Rev. E 50, 888–901 (1994).
[48] M. Srednicki, “The approach to thermal equilibrium in
quantized chaotic systems,” J. Phys. A 32, 1163–1175
(1999).
[49] P. Reimann and L. Dabelow, “Refining Deutsch’s approach to thermalization,” Phys. Rev. E 103, 022119
(2021).
[50] I. E. Farquhar and P. T. Landsberg, “On the QuantumStatistical Ergodic and H-Theorems,” Proc. R. Soc.
Lond. A 239, 134–144 (1957).
[51] P. Bocchieri and A. Loinger, “Ergodic Theorem in Quantum Mechanics,” Phys. Rev. 111, 668–670 (1958).
[52] J. Gemmer, M. Michel, and G. Mahler, Quantum Thermodynamics, Vol. 784 (Lect. Notes Phys., Springer, Heidelberg, 2004).
[53] S. Popescu, A. J. Short, and A. Winter, “Entanglement
and the foundations of statistical mechanics,” Nat. Phys.
2, 754 – 758 (2006).
[54] T. Heitmann, J. Richter, D. Schubert, and
R. Steinigeweg, “Selected applications of typicality
to real-time dynamics of quantum many-body systems,”
Z.. Naturforsch. A 75, 421–432 (2020).
[55] P. Strasberg, A. Winter, J. Gemmer, and J. Wang,
“Classicality, Markovianity, and local detailed balance
from pure-state dynamics,” Phys. Rev. A 108, 012225
(2023).
[56] N. Van Kampen, “Quantum statistics of irreversible processes,” Physica 20, 603–622 (1954).
[57] J. J. Halliwell, “Decoherent Histories and the Emergent
Classicality of Local Densities,” Phys. Rev. Lett. 83,
2481–2485 (1999).
[58] S. Saunders, “Many Worlds? Everett, Quantum Theory,
and Reality,” (Oxford University Press, Oxford, 2010)
Chap. Chance in the Everett Interpretation, pp. 181–205.
[59] A. Aguirre and M. Tegmark, “Born in an infinite universe: A cosmological interpretation of quantum mechanics,” Phys. Rev. D 84, 105002 (2011).
[60] D. Lazarovici, “How Everett Solved the Probability
Problem in Everettian Quantum Mechanics,” Quantum
Rep. 5, 407–417 (2023).
[61] L. Vaidman, “On schizophrenic experiences of the neutron or why we should believe in the many-worlds interpretation of quantum theory,” Int. Stud. Phil. Sci. 12,
245 (1998).
[62] D. Deutsch, “Quantum theory of probability and decisions,” Proc. R. Soc. London, Ser. A 455, 3129–3137
(1999).
[63] David Wallace, “Everettian rationality: defending
Deutsch’s approach to probability in the Everett interpretation,” Stud. Hist. Phil. Sci. B 34, 415–439 (2003).
[64] H. Greaves, “Understanding Deutsch’s probability in a
deterministic multiverse,” Stud. Hist. Phil. Sci. B 35,
423–456 (2004).
[65] W. H. Zurek, “Probabilities from entanglement, Born’s
rule pk = | ψk |
2
from envariance,” Phys. Rev. A 71,
052105 (2005).
7
[66] C. T. Sebens and S. M. Carroll, “Self-locating Uncertainty and the Origin of Probability in Everettian Quantum Mechanics,” Brit. J. Phil. Sci. 69, 25–74 (2018).
[67] L. Masanes, T. D. Galley, and M. P. M¨uller, “The measurement postulates of quantum mechanics are operationally redundant,” Nat. Comm. 10, 1361 (2019).
[68] K. J. McQueen and L. Vaidman, “In defence of the selflocation uncertainty account of probability in the manyworlds interpretation,” Stud. His. Phil. Sci. B 66, 14–23
(2019).
[69] L. Vaidman, “Derivations of the born rule,” in Quantum,
Probability, Logic: The Work and Influence of Itamar
Pitowsky, edited by M. Hemmo and O. Shenker (Springer
International Publishing, Cham, 2020) pp. 567–584.
[70] S. Saunders, “Branch-counting in the Everett interpretation of quantum mechanics,” Proc. R. Soc. A 477,
20210600 (2021).
[71] W. H. Zurek, “Quantum Theory of the Classical: Einselection, Envariance, Quantum Darwinism and Extantons,” Entropy 24, 1520 (2022).
[72] A. J. Short, “Probability in many-worlds theories,”
Quantum 7, 971 (2023).
[73] T. Maudlin, Philosophy of Physics: Quantum Theory
(Princeton University Press, Princeton, 2019).
[74] A. Kent, “Many Worlds? Everett, Quantum Theory, and
Reality,” (Oxford University Press, Oxford, 2010) Chap.
One World Versus Many: The Inadequacy of Everettian
Accounts of Evolution, Probability, and Scientific Confirmation, pp. 307–354.
[75] N. Dowling, P. Figueroa-Romero, F. A. Pollock, P. Strasberg, and K. Modi, “Relaxation of Multitime Statistics
in Quantum Systems,” Quantum 7, 1027 (2023).
[76] N. Dowling, P. Figueroa-Romero, F. A. Pollock, P. Strasberg, and K. Modi, “Equilibration of multitime quantum
processes in finite time intervals,” SciPost Phys. Core 6,
043 (2023).
[77] A. Valentini and H. Westman, “Dynamical origin of
quantum probabilities,” Proc. R. Soc. A 461, 253–272
(2005).
[78] A. Valentini, “Many Worlds? Everett, Quantum Theory,
and Reality,” (Oxford University Press, Oxford, 2010)
Chap. De Broglie–Bohm Pilot-Wave Theory: Many
Worlds in Denial?, pp. 476–509.
Appendix
We show that
ϵ(m, n)
2 =
|⟨ψ(m)|ψ(n)⟩|2
⟨ψ(m)|ψ(m)⟩⟨ψ(n)|ψ(n)⟩
= 1 ⇒ ϵ(x, y)
2 =
|⟨ψ(x)|ψ(y)⟩|2
⟨ψ(x)|ψ(x)⟩⟨ψ(y)|ψ(y)⟩
= 1 (9)
for all x and y such that n1(x) ̸= n1(y). If instead m ≡ n1(x) = n1(y), it follows by definition that ϵ(m, m) = 1.
Moreover, we also assume that ⟨ψ(x)|ψ(x)⟩ > 0 and ⟨ψ(y)|ψ(y)⟩ > 0, i.e., we exclude all branches that do not exist.
Note that in our example all branches have non-zero weight (even though the weight might be extremely small).
To verify Eq. (9), we note that ϵ(m, n)
2 = 1 is equivalent to
0 = X
x,x′
,y,y′
A(x, x
′
, y, y
′
, m, n)[ϵ(x, y)ϵ(y
′
, x
′
) − ϵ(x, x
′
)ϵ(y
′
, y)], (10)
where
A(x, x
′
, y, y
′
, m, n) ≡ ⟨ψ(x)|ψ(x)⟩⟨ψ(x
′
)|ψ(x
′
)⟩⟨ψ(y)|ψ(y)⟩⟨ψ(y
′
)|ψ(y
′
)⟩δm,n1(x)δn,n1(y)δm,n1(x′)δn,n1(y′) (11)
Since A(x, x
′
, y, y
′
, m, n) > 0 if m ≡ n1(x) = n1(x
′
) ̸= n ≡ n1(y) = n1(y
′
), we find that the condition ϵ(m, n)
2 = 1
for m ̸= n implies
ϵ(x, y)ϵ(y
′
, x
′
) = ϵ(x, x
′
)ϵ(y
′
, y). (12)
We now choose x = x
′ and y = y
′ with n1(x) = m ̸= n1(y) = n, which implies ϵ(x, y) = 1 since ϵ(x, x) = 1 by
definition