home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Amiga Plus 1995 #2 / Amiga Plus CD - 1995 - No. 2.iso / internet / faq / englisch / many-worlds < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1995-04-11  |  118.5 KB  |  2,268 lines

  1. Archive-name: many-worlds-faq
  2. Last-modified: 17 February 1995
  3. Posting-Frequency: in full: 3-monthly, abridged: monthly (ex *.answers)
  4.  
  5.                  (C) Michael Clive Price, February 1995
  6. Permission to copy in its entirety granted for non-commercial purposes.
  7.  
  8. Contents:
  9. Q0   Why this FAQ?
  10. Q1   Who believes in many-worlds?
  11. Q2   What is many-worlds?
  12. Q3   What are the alternatives to many-worlds?
  13. Q4   What is a "world"?
  14. Q5   What is a measurement?
  15. Q6   Why do worlds split?
  16.      What is decoherence?
  17. Q7   When do worlds split?
  18. Q8   When does Schrodinger's cat split?
  19. Q9   What is sum-over-histories?
  20. Q10  What is many-histories?
  21.      What is the environment basis?
  22. Q11  How many worlds are there?
  23. Q12  Is many-worlds a local theory?
  24. Q13  Is many-worlds a deterministic theory?
  25. Q14  Is many-worlds a relativistic theory?
  26.      What about quantum field theory?
  27.      What about quantum gravity?
  28. Q15  Where are the other worlds?
  29. Q16  Is many-worlds (just) an interpretation?
  30. Q17  Why don't worlds fuse, as well as split?
  31.      Do splitting worlds imply irreversible physics?
  32. Q18  What retrodictions does many-worlds make?
  33. Q19  Do worlds differentiate or split?
  34. Q20  What is many-minds?
  35. Q21  Does many-worlds violate Ockham's Razor?
  36. Q22  Does many-worlds violate conservation of energy?
  37. Q23  How do probabilities emerge within many-worlds?
  38. Q24  Does many-worlds allow free-will?
  39. Q25  Why am I in this world and not another?
  40.      Why does the universe appear random?
  41. Q26  Can wavefunctions collapse?
  42. Q27  Is physics linear?
  43.      Could we ever communicate with the other worlds?
  44.      Why do I only ever experience one world?
  45.      Why am I not aware of the world (and myself) splitting?
  46. Q28  Can we determine what other worlds there are?
  47.      Is the form of the Universal Wavefunction knowable?
  48. Q29  Who was Everett?
  49. Q30  What are the problems with quantum theory?
  50. Q31  What is the Copenhagen interpretation?
  51. Q32  Does the EPR experiment prohibit locality?
  52.      What about Bell's Inequality?
  53. Q33  Is Everett's relative state formulation the same as many-worlds?
  54. Q34  What is a relative state?
  55. Q35  Was Everett a "splitter"?
  56. Q36  What unique predictions does many-worlds make?
  57. Q37  Could we detect other Everett-worlds?
  58. Q38  Why *quantum* gravity?
  59. Q39  Is linearity exact?
  60. Q41  Why can't the boundary conditions be updated to reflect my
  61.      observations in this one world?
  62. A1   References and further reading
  63. A2   Quantum mechanics and Dirac notation
  64.  
  65. Q0   Why this FAQ?
  66.      -------------
  67. This FAQ shows how quantum paradoxes are resolved by the "many-worlds"
  68. interpretation or metatheory of quantum mechanics.  This FAQ does not
  69. seek to *prove* that the many-worlds interpretation is the "correct"
  70. quantum metatheory, merely to correct some of the common errors and
  71. misinformation on the subject floating around.
  72.  
  73. As a physics undergraduate I was struck by the misconceptions of my
  74. tutors about many-worlds, despite that it seemed to resolve all the
  75. paradoxes of quantum theory [A].  The objections raised to many-worlds
  76. were either patently misguided [B] or beyond my ability to assess at the
  77. time [C], which made me suspect (confirmed during my graduate QFT
  78. studies) that the more sophisticated rebuttals were also invalid.  I
  79. hope this FAQ will save other investigators from being lead astray by
  80. authoritative statements from mentors.
  81.  
  82. I have attempted, in the answers, to translate the precise mathematics
  83. of quantum theory into woolly and ambiguous English - I would appreciate
  84. any corrections.  In one or two instances I couldn't avoid using some
  85. mathematical (Dirac) notation, in particular in describing the Einstein-
  86. Podolsky-Rosen (EPR) experiment and Bell's Inequality and in showing how
  87. probabilities are derived, so I've included an appendix on the Dirac
  88. notation.
  89.  
  90. [A] See "Does the EPR experiment prohibit locality?", "What about Bell's
  91. Inequality?"  and "When does Schrodinger's cat split?" for how many-
  92. worlds handles the most quoted paradoxes.
  93.  
  94. [B] Sample objection: "Creation of parallel universes violates energy
  95. conservation/Ockham's razor".  (See "Does many-worlds violate
  96. conservation of energy?" and "Does many-worlds violate Ockham's Razor?")
  97.  
  98. [C] eg "In quantum field theory the wavefunction becomes an operator". 
  99. Er, what does that mean?  And is this relevant?  (See "What about
  100. quantum field theory?")
  101.  
  102. Q1   Who believes in many-worlds?
  103.      ----------------------------
  104. "Political scientist" L David Raub reports a poll of 72 of the "leading
  105. cosmologists and other quantum field theorists" about the "Many-Worlds
  106. Interpretation" and gives the following response breakdown [T].
  107.         
  108. 1) "Yes, I think MWI is true"                    58%
  109. 2) "No, I don't accept MWI"                      18%
  110. 3) "Maybe it's true but I'm not yet convinced"   13%
  111. 4) "I have no opinion one way or the other"      11%
  112.  
  113. Amongst the "Yes, I think MWI is true" crowd listed are Stephen Hawking
  114. and Nobel Laureates Murray Gell-Mann and Richard Feynman.  Gell-Mann and
  115. Hawking recorded reservations with the name "many-worlds", but not with
  116. the theory's content.  Nobel Laureate Steven Weinberg is also mentioned
  117. as a many-worlder, although the suggestion is not when the poll was
  118. conducted, presumably before 1988 (when Feynman died).  The only "No,
  119. I don't accept MWI" named is Penrose.
  120.  
  121. The findings of this poll are in accord with other polls, that many-
  122. worlds is most popular amongst scientists who may rather loosely be
  123. described as string theorists or quantum gravitists/cosmologists.  It
  124. is less popular amongst the wider scientific community who mostly remain
  125. in ignorance of it.
  126.  
  127. More detail on Weinberg's views can be found in _Dreams of a Final
  128. Theory_ or _Life in the Universe_ Scientific American (October 1994),
  129. the latter where Weinberg says about quantum theory:
  130.      "The final approach is to take the Schrodinger equation seriously
  131.      [..description of the measurement process..] In this way, a
  132.      measurement causes the history of the universe for practical
  133.      purposes to diverge into different non-interfering tracks, one for
  134.      each possible value of the measured quantity. [...] I prefer this
  135.      last approach"
  136.  
  137. In the _The Quark and the Jaguar_ and _Quantum Mechanics in the Light
  138. of Quantum Cosmology_ [10] Gell-Mann describes himself as an adherent
  139. to the (post-)Everett interpretation, although his exact meaning is
  140. sometimes left ambiguous.
  141.  
  142. Steven Hawking is well known as a many-worlds fan and says, in an
  143. article on quantum gravity [H], that measurement of the gravitational
  144. metric tells you which branch of the wavefunction you're in and
  145. references Everett.
  146.  
  147. Feynman, apart from the evidence of the Raub poll, directly favouring
  148. the Everett interpretation, always emphasized to his lecture students
  149. [F] that the "collapse" process could only be modelled by the
  150. Schrodinger wave equation (Everett's approach).
  151.  
  152. [F]  Jagdish Mehra _The Beat of a Different Drum: The Life and Science
  153.      Richard Feynman_
  154. [H]  Stephen W Hawking _Black Holes and Thermodynamics_ Physical Review
  155.      D Vol 13 #2 191-197 (1976)
  156. [T]  Frank J Tipler _The Physics of Immortality_ 170-171
  157.  
  158. Q2   What is many-worlds?
  159.      --------------------
  160. AKA as the Everett, relative-state, many-histories or many-universes
  161. interpretation or metatheory of quantum theory.  Dr Hugh Everett, III,
  162. its originator, called it the "relative-state metatheory" or the "theory
  163. of the universal wavefunction" [1], but it is generally called "many-
  164. worlds" nowadays, after DeWitt [4a],[5].
  165.  
  166. Many-worlds comprises of two assumptions and some consequences.  The
  167. assumptions are quite modest:
  168. 1)   The metaphysical assumption: That the wavefunction does not merely
  169.      encode the all the information about an object, but has an
  170.      observer-independent objective existence and actually *is* the
  171.      object.  For a non-relativistic N-particle system the wavefunction
  172.      is a complex-valued field in a 3-N dimensional space.
  173.  
  174. 2)   The physical assumption:  The wavefunction obeys the empirically
  175.      derived standard linear deterministic wave equations at all times. 
  176.      The observer plays no special role in the theory and, consequently,
  177.      there is no collapse of the wavefunction.  For non-relativistic
  178.      systems the Schrodinger wave equation is a good approximation to
  179.      reality.  (See "Is many-worlds a relativistic theory?" for how the
  180.      more general case is handled with quantum field theory or third quantisation.)
  181.  
  182. The rest of the theory is just working out consequences of the above
  183. assumptions.  Measurements and observations by a subject on an object
  184. are modelled by applying the wave equation to the joint subject-object
  185. system.  Some consequences are:
  186. 1)   That each measurement causes a decomposition or decoherence of the
  187.      universal wavefunction into non-interacting and mostly non-
  188.      interfering branches, histories or worlds.  (See "What is
  189.      decoherence?")  The histories form a branching tree which
  190.      encompasses all the possible outcomes of each interaction.  (See
  191.      "Why do worlds split?" and "When do worlds split?")  Every
  192.      historical what-if compatible with the initial conditions and
  193.      physical law is realised.
  194.  
  195. 2)   That the conventional statistical Born interpretation of the
  196.      amplitudes in quantum theory is *derived* from within the theory
  197.      rather than having to be *assumed* as an additional axiom.  (See
  198.      "How do probabilities emerge within many-worlds?")
  199.  
  200. Many-worlds is a re-formulation of quantum theory [1], published in 1957
  201. by Dr Hugh Everett III [2], which treats the process of observation or
  202. measurement entirely within the wave-mechanics of quantum theory, rather
  203. than an input as additional assumption, as in the Copenhagen
  204. interpretation.  Everett considered the wavefunction a real object. 
  205. Many-worlds is a return to the classical, pre-quantum view of the
  206. universe in which all the mathematical entities of a physical theory are
  207. real.  For example the electromagnetic fields of James Clark Maxwell or
  208. the atoms of Dalton were considered as real objects in classical
  209. physics.  Everett treats the wavefunction in a similar fashion.  Everett
  210. also assumed that the wavefunction obeyed the same wave equation during
  211. observation or measurement as at all other times.  This is the central
  212. assumption of many-worlds: that the wave equation is obeyed universally
  213. and at all times.
  214.  
  215. Everett discovered that the new, simpler theory - which he named the
  216. "relative state" formulation - predicts that interactions between two
  217. (or more) macrosystems typically split the joint system into a
  218. superposition of products of relative states.  The states of the
  219. macrosystems are, after the subsystems have jointly interacted,
  220. henceforth correlated with, or dependent upon, each other.  Each element
  221. of the superposition - each a product of subsystem states - evolves
  222. independently of the other elements in the superposition.  The states
  223. of the macrosystems are, by becoming correlated or entangled with each
  224. other, impossible to understand in isolation from each other and must
  225. be viewed as one composite system.  It is no longer possible to speak
  226. the state of one (sub)system in isolation from the other (sub)systems. 
  227. Instead we are forced to deal with the states of subsystems *relative*
  228. to each other.  Specifying the state of one subsystem leads to a unique
  229. specification of the state (the "relative state") of the other
  230. subsystems.  (See "What is a relative state?")
  231.  
  232. If one of the systems is an observer and the interaction an observation
  233. then the effect of the observation is to split the observer into a
  234. number of copies, each copy observing just one of the possible results
  235. of a measurement and unaware of the other results and all its observer-
  236. copies.  Interactions between systems and their environments, including
  237. communication between different observers in the same world, transmits
  238. the correlations that induce local splitting or decoherence into non-
  239. interfering branches of the universal wavefunction.  Thus the entire
  240. world is split, quite rapidly, into a host of mutually unobservable but
  241. equally real worlds.
  242.  
  243. According to many-worlds all the possible outcomes of a quantum
  244. interaction are realised.  The wavefunction, instead of collapsing at
  245. the moment of observation, carries on evolving in a deterministic
  246. fashion, embracing all possibilities embedded within it.  All outcomes
  247. exist simultaneously but do not interfere further with each other, each
  248. single prior world having split into mutually unobservable but equally
  249. real worlds.
  250.  
  251. Q3   What are the alternatives to many-worlds?
  252.      -----------------------------------------
  253. There is no other quantum theory, besides many-worlds, that is
  254. scientific, in the sense of providing a reductionist model of reality,
  255. and free of internal inconsistencies, that I am aware of.  Briefly here
  256. are the defects of the most popular alternatives:
  257.  
  258. 1)   Copenhagen Interpretation.  Postulates that the observer obeys
  259.      different physical laws than the non-observer, which is a return
  260.      to vitalism.  The definition of an observer varies from one
  261.      adherent to another, if present at all.  The status of the
  262.      wavefunction is also ambiguous.  If the wavefunction is real the
  263.      theory is non-local (not fatal, but unpleasant).  If the
  264.      wavefunction is not real then the theory supplies no model of
  265.      reality.  (See "What are the problems with quantum theory?")
  266.  
  267. 2)   Hidden Variables [B].  Explicitly non-local.  Bohm accepts that all
  268.      the branches of the universal wavefunction exist.  Like Everett
  269.      Bohm held that the wavefunction is real complex-valued field which
  270.      never collapses.  In addition Bohm postulated that there were
  271.      particles that move under the influence of a non-local "quantum-
  272.      potential" derived from the wavefunction (in addition to the
  273.      classical potentials which are already incorporated into the
  274.      structure of the wavefunction).  The action of the quantum-
  275.      potential is such that the particles are affected by only one of
  276.      the branches of the wavefunction.  (Bohm derives what is
  277.      essentially a decoherence argument to show this, see section 7,#I
  278.      [B]).
  279.  
  280.      The implicit, unstated assumption made by Bohm is that only the
  281.      single branch of wavefunction associated with particles can contain
  282.      self-aware observers, whereas Everett makes no such assumption. 
  283.      Most of Bohm's adherents do not seem to understand (or even be
  284.      aware of) Everett's criticism, section VI [1], that the hidden-
  285.      variable particles are not observable since the wavefunction alone
  286.      is sufficient to account for all observations and hence a model of
  287.      reality.  The hidden variable particles can be discarded, along
  288.      with the guiding quantum-potential, yielding a theory isomorphic
  289.      to many-worlds, without affecting any experimental results.
  290.  
  291.      [B]  David J Bohm _A suggested interpretation of the quantum theory
  292.           in terms of "hidden variables" I and II_ Physical Review Vol
  293.           85 #2 166-193 (1952)
  294.  
  295. 3)   Quantum Logic.  Undoubtedly the most extreme of all attempts to
  296.      solve the QM measurement problem.  Apart from abandoning one or
  297.      other of the classical tenets of logic these theories are all
  298.      unfinished (presumably because of internal inconsistencies).  Also
  299.      it is unclear how and why different types of logic apply on
  300.      different scales.
  301.  
  302. 4)   Extended Probability [M].  A bold theory in which the concept of
  303.      probability is "extended" to include complex values [Y].  Whilst
  304.      quite daring, I am not sure if this is logically permissable, being
  305.      in conflict with the relative frequency notion of probability, in
  306.      which case it suffers from the same criticism as quantum logic. 
  307.      Also it is unclear, to me anyway, how the resultant notion of
  308.      "complex probability" differs from the quantum "probability
  309.      amplitude" and thus why we are justified in collapsing the complex-
  310.      valued probability as if it were a classical, real-valued
  311.      probability.
  312.  
  313.      [M]  W Muckenheim _A review of extended probabilities_ Physics
  314.           Reports Vol 133 339- (1986)
  315.      [Y]  Saul Youssef _Quantum Mechanics as Complex Probability Theory_
  316.           hep-th 9307019
  317.  
  318. 5)   Transactional model [C].  Explicitly non-local.  An imaginative
  319.      theory, based on the Feynman-Wheeler absorber-emitter model of EM,
  320.      in which advanced and retarded probability amplitudes combine into
  321.      an atemporal "transaction" to form the Born probability density. 
  322.      It requires that the input and output states, as defined by an
  323.      observer, act as emitters and absorbers respectively, but not any
  324.      internal states (inside the "black box"), and, consequently,
  325.      suffers from the familiar measurement problem of the Copenhagen
  326.      interpretation.
  327.  
  328.      If the internal states *did* act as emitters/absorbers then the
  329.      wavefunction would collapse, for example, around one of the double
  330.      slits (an internal state) in the double slit experiment, destroying
  331.      the observed interference fringes.  In transaction terminology a
  332.      transaction would form between the first single slit and one of the
  333.      double slits and another transaction would form between the same
  334.      double slit and the point on the screen where the photon lands. 
  335.      This never observed.
  336.  
  337.      [C]  John G Cramer _The transactional interpretation of quantum
  338.           mechanics_ Reviews of Modern Physics Vol 58 #3 647-687 (1986)
  339.  
  340. 6)   Many-minds.  Despite its superficial similarities with many-worlds
  341.      this is actually a very unphysical, non-operational theory.  (See
  342.      "What is many-minds?")
  343.  
  344. 7)   Non-linear theories in general.  So far no non-linear theory has
  345.      any accepted experimental support, whereas many have failed
  346.      experiment.  (See "Is physics linear?")  Many-worlds predicts that
  347.      non-linear theories will always fail experiment.  (See "Is
  348.      linearity exact?")
  349.  
  350. Q4   What is a "world"?
  351.      ------------------
  352. Loosely speaking a "world" is a complex, causally connected, partially
  353. or completely closed set of interacting sub-systems which don't
  354. significantly interfere with other, more remote, elements in the
  355. superposition.  Any complex system and its coupled environment, with a
  356. large number of internal degrees of freedom, qualifies as a world.  An
  357. observer, with internal irreversible processes, counts as a complex
  358. system.  In terms of the wavefunction, a world is a decohered branch of
  359. the universal wavefunction, which represents a single macrostate.  (See
  360. "What is decoherence?")  The worlds all exist simultaneously in a non-
  361. interacting linear superposition.
  362.  
  363. Sometimes "worlds" are called "universes", but more usually the latter
  364. is reserved the totality of worlds implied by the universal
  365. wavefunction.  Sometimes the term "history" is used instead of "world". 
  366. (Gell-Mann/Hartle's phrase, see "What is many-histories?").
  367.  
  368. Q5   What is a measurement?
  369.      ----------------------
  370. A measurement is an interaction, usually irreversible, between
  371. subsystems that correlates the value of a quantity in one subsystem with
  372. the value of a quantity in the other subsystem.  The interaction may
  373. trigger an amplification process within one object or subsystem with
  374. many internal degrees of freedom, leading to an irreversible high-level
  375. change in the same object.  If the course of the amplification is
  376. sensitive to the initial interaction then we can designate the system
  377. containing the amplified process as the "measuring apparatus", since the
  378. trigger is sensitive to some (often microphysical) quantity or parameter
  379. of the one of the other subsystems, which we designate the "object"
  380. system.  Eg the detection of a charged particle (the object) by a Geiger
  381. counter (the measuring apparatus) leads to the generation of a "click"
  382. (high-level change).  The absence of a charged particle does not
  383. generate a click.  The interaction is with those elements of the charged
  384. particle's wavefunction that passes *between* the charged detector
  385. plates, triggering the amplification process (an irreversible electron
  386. cascade or avalanche), which is ultimately converted to a click.
  387.  
  388. A measurement, by this definition, does not require the presence of an
  389. conscious observer, only of irreversible processes.
  390.  
  391. Q6   Why do worlds split?
  392.      ---------------------
  393.      What is decoherence?
  394.      --------------------
  395. Worlds, or branches of the universal wavefunction, split when different
  396. components of a quantum superposition "decohere" from each other [7a],
  397. [7b], [10].  Decoherence refers to the loss of coherency or absence of
  398. interference effects between the elements of the superposition.  For two
  399. branches or worlds to interfere with each other all the atoms, subatomic
  400. particles, photons and other degrees of freedom in each world have to
  401. be in the same state, which usually means they all must be in the same
  402. place or significantly overlap in both worlds, simultaneously.
  403.  
  404. For small microscopic systems it is quite possible for all their atomic
  405. components to overlap at some future point.  In the double slit
  406. experiment, for instance, it only requires that the divergent paths of
  407. the diffracted particle overlap again at some space-time point for an
  408. interference pattern to form, because only the single particle has been
  409. split.
  410.  
  411. Such future coincidence of positions in all the components is virtually
  412. impossible in more complex, macroscopic systems because all the
  413. constituent particles have to overlap with their counterparts
  414. simultaneously.  Any system complex enough to be described by
  415. thermodynamics and exhibit irreversible behaviour is a system complex
  416. enough to exclude, for all practical purposes, any possibility of future
  417. interference between its decoherent branches.  An irreversible process
  418. is one in, or linked to, a system with a large number of internal,
  419. unconstrained degrees of freedom.  Once the irreversible process has
  420. started then alterations of the values of the many degrees of freedom
  421. leaves an imprint which can't be removed.  If we try to intervene to
  422. restore the original status quo the intervention causes more disruption
  423. elsewhere.
  424.  
  425. In QM jargon we say that the components (or vectors in the underlying
  426. Hilbert state space) have become permanently orthogonal due to the
  427. complexity of the systems increasing the dimensionality of the vector
  428. space, where each unconstrained degree of freedom contributes a
  429. dimension to the state vector space.  In a high dimension space almost
  430. all vectors are orthogonal, without any significant degree of overlap. 
  431. Thus vectors for complex systems, with a large number of degrees of
  432. freedom, naturally decompose into mutually orthogonal components which,
  433. because they can never significantly interfere again, are unaware of
  434. each other.  The complex system, or world, has split into different,
  435. mutually unobservable worlds.
  436.  
  437. According to thermodynamics each activated degree of freedom acquires
  438. kT energy.  This works the other way around as well: the release of
  439. approximately kT of energy increases the state-space dimensionality. 
  440. Even the quite small amounts of energy released by an irreversible
  441. frictive process are quite large on this scale, increasing the size of
  442. the associated Hilbert space.
  443.  
  444. Contact between a system and a heat sink is equivalent to increasing the
  445. dimensionality of the state space, because the description of the system
  446. has to be extended to include all parts of the environment in causal
  447. contact with it.  Contact with the external environment is a very
  448. effective destroyer of coherency.  (See "What is the environment
  449. basis?")
  450.  
  451. Q7   When do worlds split?
  452.      ---------------------
  453. Worlds irrevocably "split" at the sites of measurement-like interactions
  454. associated with thermodynamically irreversible processes.  (See "What
  455. is a measurement?")  An irreversible process will always produce
  456. decoherence which splits worlds.  (See "Why do worlds split?", "What is
  457. decoherence?" and "When does Schrodinger's cat split?" for a concrete
  458. example.)
  459.  
  460. In the example of a Geiger counter and a charged particle after the
  461. particle has passed the counter one world contains the clicked counter
  462. and that portion of the particle's wavefunction which passed though the
  463. detector.  The other world contains the unclicked counter with the
  464. particle's wavefunction with a "shadow" cast by the counter taken out
  465. of the particle's wavefunction.
  466.  
  467. The Geiger counter splits when the amplification process became
  468. irreversible, before the click is emitted.  (See "What is a
  469. measurement?")  The splitting is local (originally in the region of the
  470. Geiger counter in our example) and is transmitted causally to more
  471. distant systems.  (See "Is many-worlds a local theory?" and "Does the
  472. EPR experiment prohibit locality?")  The precise moment/location of the
  473. split is not sharply defined due to the subjective nature of
  474. irreversibility, but can be considered complete when much more than kT
  475. of energy has been released in an uncontrolled fashion into the
  476. environment.  At this stage the event has become irreversible.
  477.  
  478. In the language of thermodynamics the amplification of the charged
  479. particle's presence by the Geiger counter is an irreversible event. 
  480. These events have caused the decoherence of the different branches of
  481. the wavefunction.  (See "What is decoherence?" and "Why do worlds
  482. split?")  Decoherence occurs when irreversible macro-level events take
  483. place and the macrostate description of an object admits no single
  484. description.  (A macrostate, in brief, is the description of an object
  485. in terms of accessible external characteristics.)
  486.  
  487. The advantage of linking the definition of worlds and the splitting
  488. process with thermodynamics is the splitting process becomes
  489. irreversible and only permits forward-time-branching, following the
  490. increase with entropy.  (See "Why don't worlds fuse, as well as split?") 
  491. Like all irreversible processes, though, there are exceptions even at
  492. the coarse-grained level and worlds will occasionally fuse.  A
  493. necessary, although not sufficient, precondition for fusing is for all
  494. records, memories etc that discriminate between the pre-fused worlds or
  495. histories be lost.  This is not a common occurrence.
  496.  
  497. Q8   When does Schrodinger's cat split?
  498.      ----------------------------------
  499. Consider Schrodinger's cat.  A cat is placed in a sealed box with a
  500. device that releases a lethal does of cyanide if a certain radioactive
  501. decay is detected.  For simplicity we'll imagine that the box, whilst
  502. closed, completely isolates the cat from its environment.  After a while
  503. an investigator opens the box to see if the cat is alive or dead. 
  504. According to the Copenhagen Interpretation the cat was neither alive nor
  505. dead until the box was opened, whereupon the wavefunction of the cat
  506. collapsed into one of the two alternatives (alive or dead cat).  The
  507. paradox, according to Schrodinger, is that the cat presumably knew if
  508. it was alive *before* the box was opened.  According to many-worlds the
  509. device was split into two states (cyanide released or not) by the
  510. radioactive decay, which is a thermodynamically irreversible process
  511. (See "When do worlds split?" and "Why do worlds split?").  As the
  512. cyanide/no-cyanide interacts with the cat the cat is split into two
  513. states (dead or alive).  From the surviving cat's point of view it
  514. occupies a different world from its deceased copy.  The onlooker is
  515. split into two copies only when the box is opened and they are altered
  516. by the states of the cat.
  517.  
  518. The cat splits when the device is triggered, irreversibly.  The
  519. investigator splits when they open the box.  The alive cat has no idea
  520. that investigator has split, any more than it is aware that there is a
  521. dead cat in the neighbouring split-off world.  The investigator can
  522. deduce, after the event, by examining the cyanide mechanism, or the
  523. cat's memory, that the cat split prior to opening the box.
  524.  
  525. Q9   What is sum-over-histories?
  526.      ---------------------------
  527. The sum-over-histories or path-integral formalism of quantum mechanics
  528. was developed by Richard Feynman in the 1940s [F] as a third
  529. interpretation of quantum mechanics, alongside Schrodinger's wave
  530. picture and Heisenberg's matrix mechanics, for calculating transition
  531. amplitudes.  All three approaches are mathematically equivalent, but the
  532. path-integral formalism offers some interesting additional insights into
  533. many-worlds.
  534.  
  535. In the path-integral picture the wavefunction of a single particle at
  536. (x',t') is built up of contributions of all possible paths from (x,t),
  537. where each path's contribution is weighted by a (phase) factor of
  538. exp(i*Action[path]/hbar) * wavefunction at (x,t), summed, in turn, over
  539. all values of x.  The Action[path] is the time-integral of the
  540. lagrangian (roughly: the lagrangian equals kinetic minus the potential
  541. energy) along the path from (x,t) to (x',t').  The final expression is
  542. thus the sum or integral over all paths, irrespective of any classical
  543. dynamical constraints.  For N-particle systems the principle is the
  544. same, except that the paths run through a 3-N space.
  545.  
  546. In the path-integral approach every possible path through configuration
  547. space makes a contribution to the transition amplitude.  From this point
  548. of view the particle explores every possible intermediate configuration
  549. between the specified start and end states.  For this reason the path-
  550. integral technique is often referred to as "sum-over-histories".  Since
  551. we do not occupy a privileged moment in history it is natural to wonder
  552. if alternative histories are contributing equally to transition
  553. amplitudes in the future, and that each possible history has an equal
  554. reality.  Perhaps we shouldn't be surprised that Feynman is on record
  555. as believing in many-worlds.  (See "Who believes in many-worlds?")  What
  556. is surprising is that Everett developed his many-worlds theory entirely
  557. from the Schrodinger viewpoint without any detectable influence from
  558. Feynman's work, despite Feynman and Everett sharing the same Princeton
  559. thesis supervisor, John A Wheeler.
  560.  
  561. Feynman developed his path-integral formalism further during his work
  562. on quantum electrodynamics, QED, in parallel with Schwinger and Tomonoga
  563. who had developed a less visualisable form of QED.  Dyson showed that
  564. these approaches were all equivalent.  Feynman, Schwinger and Tomonoga
  565. were awarded the 1965 Physics Nobel Prize for this work.  Feynman's
  566. approach was to show how any process, with defined in (initial) and out
  567. (final) states, can be represented by a series of (Feynman) diagrams,
  568. which allow for the creation, exchange and annihilation of particles. 
  569. Each Feynman diagram represents a different contribution to the complete
  570. transition amplitude, provided that the external lines map onto the
  571. required boundary initial and final conditions (the defined in and out
  572. states).  QED became the prototype for all the other, later, field
  573. theories like electro-weak and quantum chromodynamics.
  574.  
  575. [F]  Richard P Feynman _Space-time approach to non-relativistic quantum
  576.      mechanics_ Reviews of Modern Physics, Vol 20: 267-287 (1948)
  577.  
  578. Q10  What is many-histories?
  579.      -----------------------
  580.      What is the environment basis?
  581.      ------------------------------
  582. There is considerable linkage between thermodynamics and many-worlds,
  583. explored in the "decoherence" views of Zurek [7a], [7b] and Gell-Mann
  584. and Hartle [10], Everett [1], [2] and others [4b].  (See "What is
  585. decoherence?")  
  586.  
  587. Gell-Mann and Hartle, in particular, have extended the role of
  588. decoherence in defining the Everett worlds, or "histories" in their
  589. nomenclature.  They call their approach the "many-histories" approach,
  590. where each "coarse-grained or classical history" is associated with a
  591. unique time-ordered sequence of sets of irreversible events, including
  592. measurements, records, observations and the like.  (See "What is a
  593. measurement?")  Fine-grained histories effectively relax the
  594. irreversible criterion.  Mathematically the many-histories approach is
  595. isomorphic to Everett's many-worlds.
  596.  
  597. The worlds split or "decohere" from each other when irreversible events
  598. occur.  (See "Why do worlds split?" and "When do worlds split?".) 
  599. Correspondingly many-histories defines a multiply-connected hierarchy
  600. of classical histories where each classical history is a "child" of any
  601. parent history which has only a subset of the child defining
  602. irreversible events and a parent of any history which has a superset of
  603. such events.  Climbing up the tree from child to parent moves to
  604. progressively coarser grained consistent histories until eventually the
  605. top is reached where the history has *no* defining events (and thus
  606. consistent with everything!).  This is Everett's universal wavefunction. 
  607. The bottom of the coarse-grained tree terminates with the maximally
  608. refined set of decohering histories.  The classical histories each have
  609. a probability assigned to them and probabilities are additive in the
  610. sense that the sum of the probabilities associated a set classical
  611. histories is equal to the probability associated with the unique parent
  612. history defined by the set.  (Below the maximally refined classical
  613. histories are the fine grained or quantum histories, where probabilities
  614. are no longer additive and different histories significantly interfere
  615. with each other.  The bottom level consists of complete microstates,
  616. which fully specified states.)
  617.  
  618. The decoherence approach is useful in considering the effect of the
  619. environment on a system.  In many ways the environment, acting as a heat
  620. sink, can be regarded as performing a succession of measurement-like
  621. interactions upon any system, inducing associated system splits.  All
  622. the environment basis is is a basis chosen so as to minimise the cross-
  623. basis interference terms.  It makes any real-worlds calculation easy,
  624. since the cross terms are so small, but it does not *uniquely* select
  625. a basis, just eliminates a large number.
  626.  
  627. Q11  How many worlds are there?
  628.      --------------------------
  629. The thermodynamic Planck-Boltzmann relationship, S = k*log(W), counts
  630. the branches of the wavefunction at each splitting, at the lowest,
  631. maximally refined level of Gell-Mann's many-histories tree.  (See "What
  632. is many-histories?")  The bottom or maximally divided level consists of
  633. microstates which can be counted by the formula W = exp (S/k), where S
  634. = entropy, k = Boltzmann's constant (approx 10^-23 Joules/Kelvin) and
  635. W = number of worlds or macrostates.  The number of coarser grained
  636. worlds is lower, but still increasing with entropy by the same ratio,
  637. ie the number of worlds a single world splits into at the site of an
  638. irreversible event, entropy dS, is exp(dS/k).  Because k is very small
  639. a great many worlds split off at each macroscopic event.
  640.  
  641. Q12  Is many-worlds a local theory?
  642.      ------------------------------
  643. The simplest way to see that the many-worlds metatheory is a local
  644. theory is to note that it requires that the wavefunction obey some
  645. relativistic wave equation, the exact form of which is currently
  646. unknown, but which is presumed to be locally Lorentz invariant at all
  647. times and everywhere.  This is equivalent to imposing the requirement
  648. that locality is enforced at all times and everywhere.  Ergo many-worlds
  649. is a local theory.
  650.  
  651. Another way of seeing this is examine how macrostates evolve. 
  652. Macrostates descriptions of objects evolve in a local fashion.  Worlds
  653. split as the macrostate description divides inside the light cone of the
  654. triggering event.  Thus the splitting is a local process, transmitted
  655. causally at light or sub-light speeds.  (See "Does the EPR experiment
  656. prohibit locality?" and "When do worlds split?")
  657.  
  658. Q13  Is many-worlds a deterministic theory?
  659.      --------------------------------------
  660. Yes, many-worlds is a deterministic theory, since the wavefunction obeys
  661. a deterministic wave equation at all times.  All possible outcomes of
  662. a measurement or interaction (See "What is a measurement?") are embedded
  663. within the universal wavefunction although each observer, split by each
  664. observation, is only aware of single outcomes due to the linearity of
  665. the wave equation.  The world appears indeterministic, with the usual
  666. probabilistic collapse of the wavefunction, but at the objective level,
  667. which includes all outcomes, determinism is restored.
  668.  
  669. Some people are under the impression that the only motivation for many-
  670. worlds is a desire to return to a deterministic theory of physics.  This
  671. is not true.  As Everett pointed out, the objection with the standard
  672. Copenhagen interpretation is not the indeterminism per se, but that
  673. indeterminism occurs only with the intervention of an observer, when the
  674. wavefunction collapses.  (See "What is the Copenhagen interpretation?")
  675.  
  676. Q14  Is many-worlds a relativistic theory?
  677.      -------------------------------------
  678.      What about quantum field theory?
  679.      --------------------------------
  680.      What about quantum gravity?
  681.      ---------------------------
  682.  
  683. It is trivial to relativise many-worlds, at least to the level of
  684. special relativity.  All relativistic theories of physics are quantum
  685. theories with linear wave equations.  There are three or more stages to
  686. developing a fully relativised quantum field theory:
  687.  
  688. First quantisation: the wavefunction of an N particle system is a
  689. complex field which evolves in 3N dimensions as the solution to either
  690. the many-particle Schrodinger, Dirac or Klein-Gordon or some other wave
  691. equation.  External forces applied to the particles are represented or
  692. modelled via a potential, which appears in the wave equation as a
  693. classical, background field.
  694.  
  695. Second quantisation: AKA (relativistic) quantum field theory (QFT)
  696. handles the creation and destruction of particles by quantising the
  697. classical fields and potentials as well as the particles.  Each particle
  698. corresponds to a field, in QFT, and becomes an operator.  Eg the
  699. electromagnetic field's particle is the photon.  The wavefunction of a
  700. collection of particles/fields exists in a Fock space, where the number
  701. of dimensions varies from component to component, corresponding to the
  702. indeterminacy in the particle number.  Many-worlds has no problems
  703. incorporating QFT, since a theory (QFT) is not altered by a metatheory
  704. (many-worlds), which makes statements *about* the theory.
  705.  
  706. Third quantisation: AKA quantum gravity.  The gravitational metric is
  707. quantised, along with (perhaps) the topology of the space-time manifold. 
  708. The role of time plays a less central role, as might be expected, but
  709. the first and second quantisation models are as applicable as ever for
  710. modelling low-energy events.  The physics of this is incomplete,
  711. including some thorny, unresolved conceptual issues, with a number of
  712. proposals (strings, supersymmetry, supergravity...) for ways forward,
  713. but the extension required by many-worlds is quite trivial since the
  714. mathematics would be unchanged.
  715.  
  716. One of the original motivations of Everett's scheme was to provide a
  717. system for quantising the gravitational field to yield a quantum
  718. cosmology, permitting a complete, self-contained description of the
  719. universe.  Indeed many-words actually *requires* that gravity be
  720. quantised, in contrast to other interpretations which are silent about
  721. the role of gravity.  (See "Why *quantum* gravity?")
  722.  
  723. Q15  Where are the other worlds?
  724.      ---------------------------
  725. Non-relativistic quantum mechanics  and quantum field theory are quite
  726. unambiguous: the other Everett-worlds occupy the same space and time as
  727. we do.
  728.  
  729. The implicit question is really, why aren't we aware of these other
  730. worlds, unless they exist "somewhere" else?  To see why we aren't aware
  731. of the other worlds, despite occupying the same space-time, see "Why do
  732. I only ever experience one world?"  Some popular accounts describe the
  733. other worlds as splitting off into other, orthogonal, dimensions.  These
  734. dimensions are the dimensions of Hilbert space, not the more familiar
  735. space-time dimensions.
  736.  
  737. The situation is more complicated, as we might expect, in theories of
  738. quantum gravity (See "What about quantum gravity?"), because gravity can
  739. be viewed as perturbations in the space-time metric.  If we take a
  740. geometric interpretation of gravity then we can regard differently
  741. curved space-times, each with their own distinct thermodynamic history,
  742. as non-coeval.  In that sense we only share the same space-time manifold
  743. with other worlds with a (macroscopically) similar mass distribution. 
  744. Whenever the amplification of a quantum-scale interaction effects the
  745. mass distribution and hence space-time curvature the resultant
  746. decoherence can be regarded as splitting the local space-time manifold
  747. into discrete sheets.
  748.  
  749. Q16  Is many-worlds (just) an interpretation?
  750.      ----------------------------------------
  751. No, for four reasons:
  752.  
  753. First, many-worlds makes predictions that differ from the other so-
  754. called interpretations of quantum theory.  Interpretations do not make
  755. predictions that differ.  (See "What unique predictions does many-worlds
  756. make?")  In addition many-worlds retrodicts a lot of data that has no
  757. other easy interpretation.  (See "What retrodictions does many-worlds
  758. make?")
  759.  
  760. Second, the mathematical structure of many-worlds is not isomorphic to
  761. other formulations of quantum mechanics like the Copenhagen
  762. interpretation or Bohm's hidden variables.  The Copenhagen
  763. interpretation does not contain those elements of the wavefunction that
  764. correspond to the other worlds.  Bohm's hidden variables contain
  765. particles, in addition to the wavefunction.  Neither theory is
  766. isomorphic to each other or many-worlds and are not, therefore, merely
  767. rival "interpretations".
  768.  
  769. Third, there is no scientific, reductionistic alternative to many-
  770. worlds.  All the other theories fail for logical reasons.  (See "Is
  771. there any alternative theory?")
  772.  
  773. Fourth, the interpretative side of many-worlds, like the subjective
  774. probabilistic elements, are derived from within the theory, rather than
  775. added to it by assumption, as in the conventional approach.  (See "How
  776. do probabilities emerge within many-worlds?")
  777.  
  778. Many-worlds should really be described as a theory or, more precisely,
  779. a metatheory, since it makes statements that are applicable about a
  780. range of theories.  Many-worlds is the unavoidable implication of any
  781. quantum theory which obeys some type of linear wave equation.  (See "Is
  782. physics linear?")
  783.  
  784. Q17  Why don't worlds fuse, as well as split?
  785.      ---------------------------------------
  786.      Do splitting worlds imply irreversible physics?
  787.      -----------------------------------------------
  788. This is really a question about why thermodynamics works and what is the
  789. origin of the "arrow of time", rather than about many-worlds.
  790.  
  791. First, worlds almost never fuse, in the forward time direction, but
  792. often divide, because of the way we have defined them.  (See "What is
  793. decoherence?", "When do worlds split?" and "When do worlds split?")  The
  794. Planck-Boltzmann formula for the number of worlds (See "How many worlds
  795. are there?") implies that where worlds to fuse together then entropy
  796. would decrease, violating the second law of thermodynamics.
  797.  
  798. Second, this does not imply that irreversible thermodynamics is
  799. incompatible with reversible (or nearly so) microphysics.  The laws of
  800. physics are reversible (or CPT invariant, more precisely) and fully
  801. compatible with the irreversibility of thermodynamics, which is solely
  802. due to the boundary conditions (the state of universe at some chosen
  803. moment) imposed by the Big Bang or whatever we chose to regard as the
  804. initial conditions.  (See "Why can't the boundary conditions be updated
  805. to reflect my observations in this one world?")
  806.  
  807. Q18  What retrodictions does many-worlds make?
  808.      -----------------------------------------
  809. A retrodiction occurs when already gathered data is accounted for by a
  810. later theoretical advance in a more convincing fashion.  The advantage
  811. of a retrodiction over a prediction is that the already gathered data
  812. is more likely to be free of experimenter bias.  An example of a
  813. retrodiction is the perihelion shift of Mercury which Newtonian
  814. mechanics plus gravity was unable, totally, to account for whilst
  815. Einstein's general relativity made short work of it.
  816.  
  817. Many-worlds retrodicts all the peculiar properties of the (apparent)
  818. wavefunction collapse in terms of decoherence.  (See "What is
  819. decoherence?", "Can wavefunctions collapse?", "When do worlds split?"
  820. & "Why do worlds split?")  No other quantum theory has yet accounted for
  821. this behaviour scientifically.  (See "What are the alternatives to many-
  822. worlds?")
  823.  
  824. Q19  Do worlds differentiate or split?
  825.      ---------------------------------
  826. Can we regard the separate worlds that result from a measurement-like
  827. interaction (See "What is a measurement?") as having previous existed
  828. distinctly and merely differentiated, rather than the interaction as
  829. having split one world into many?  This is definitely not permissable
  830. in many-worlds or any theory of quantum theory consistent with
  831. experiment.  Worlds do not exist in a quantum superposition
  832. independently of each other before they decohere or split.  The
  833. splitting is a physical process, grounded in the dynamical evolution of
  834. the wave vector, not a matter of philosophical, linguistic or mental
  835. convenience (see "Why do worlds split?" and "When do worlds split?") 
  836. If you try to treat the worlds as pre-existing and separate then the
  837. maths and probabilistic behaviour all comes out wrong.  Also the
  838. differentiation theory isn't deterministic, in contradiction to the wave
  839. equations which are deterministic, since many-minds says that:
  840.  
  841.   AAAAAAAAAAAAAAABBBBBBBBBBBBBBB         --------------> time
  842.                                          (Worlds differentiate)
  843.   AAAAAAAAAAAAAAACCCCCCCCCCCCCCC
  844.  
  845. occurs, rather than:
  846.                  BBBBBBBBBBBBBBB
  847.                 B
  848.   AAAAAAAAAAAAAA                         (Worlds split)
  849.                 C
  850.                  CCCCCCCCCCCCCCC
  851.  
  852. according to many-worlds.
  853.  
  854. This false differentiation model, at the mental level, seems favoured
  855. by adherents of many-minds.  (See "What is many-minds?")
  856.  
  857. Q20  What is many-minds?
  858.      ------------------
  859. Many-minds proposes, as an extra fundamental axiom, that an infinity of
  860. separate minds or mental states be associated with each single brain
  861. state.  When the single physical brain state is split into a quantum
  862. superposition by a measurement (See "What is a measurement?") the
  863. associated infinity of minds are thought of as differentiating rather
  864. than splitting.  The motivation for this brain-mind dichotomy seems
  865. purely to avoid talk of minds splitting and talk instead about the
  866. differentiation of pre-existing separate mental states.  There is no
  867. physical basis for this interpretation, which is incapable of an
  868. operational definition.  Indeed the differentiation model for physical
  869. systems is specifically not permitted in many-worlds.  Many-minds seems
  870. to be proposing that minds follow different rules than matter.  (See "Do
  871. worlds differentiate or split?")
  872.  
  873. In many-minds the role of the conscious observer is accorded special
  874. status, with its fundamental axiom about infinities of pre-existing
  875. minds, and as such is philosophically opposed to many-worlds, which
  876. seeks to remove the observer from any privileged role in physics. 
  877. (Many-minds was co-invented by David Albert, who has, apparently, since
  878. abandoned it.  See Scientific American July 1992 page 80 and contrast
  879. with Albert's April '94 Scientific American article.)
  880.  
  881. The two theories must not be confused.  
  882.  
  883. Q21  Does many-worlds violate Ockham's Razor?
  884.      ---------------------------------------
  885. William of Ockham, 1285-1349(?) English philosopher and one of the
  886. founders of logic, proposed a maxim for judging theories which says that
  887. hypotheses should not be multiplied beyond necessity.  This is known as
  888. Ockham's razor and is interpreted, today, as meaning that to account for
  889. any set of facts the simplest theories are to be preferred over more
  890. complex ones.  Many-worlds is viewed as unnecessarily complex, by some,
  891. by requiring the existence of a multiplicity of worlds to explain what
  892. we see, at any time, in just one world.
  893.  
  894. This is to mistake what is meant by "complex".  Here's an example. 
  895. Analysis of starlight reveals that starlight is very similar to faint
  896. sunlight, both with spectroscopic absorption and emission lines. 
  897. Assuming the universality of physical law we are led to conclude that
  898. other stars and worlds are scattered, in great numbers, across the
  899. cosmos.  The theory that "the stars are distant suns" is the simplest
  900. theory and so to be preferred by Ockham's Razor to other geocentric
  901. theories.
  902.  
  903. Similarly many-worlds is the simplest and most economical quantum theory
  904. because it proposes that same laws of physics apply to animate observers
  905. as has been observed for inanimate objects.  The multiplicity of worlds
  906. predicted by the theory is not a weakness of many-worlds, any more than
  907. the multiplicity of stars are for astronomers, since the non-interacting
  908. worlds emerge from a simpler theory.
  909.  
  910. (As an historical aside it is worth noting that Ockham's razor was also
  911. falsely used to argue in favour of the older heliocentric theories
  912. *against* Galileo's notion of the vastness of the cosmos.  The notion
  913. of vast empty interstellar spaces was too uneconomical to be believable
  914. to the Medieval mind.  Again they were confusing the notion of vastness
  915. with complexity [15].)
  916.  
  917. Q22  Does many-worlds violate conservation of energy?
  918.      ------------------------------------------------
  919. First, the law conservation of energy is based on observations within
  920. each world.  All observations within each world are consistent with
  921. conservation of energy, therefore energy is conserved.
  922.  
  923. Second, and more precisely, conservation of energy, in QM, is formulated
  924. in terms of weighted averages or expectation values.  Conservation of
  925. energy is expressed by saying that the time derivative of the expected
  926. energy of a closed system vanishes.  This statement can be scaled up to
  927. include the whole universe.  Each world has an approximate energy, but
  928. the energy of the total wavefunction, or any subset of, involves summing
  929. over each world, weighted with its probability measure.  This weighted
  930. sum is a constant.  So energy is conserved within each world and also
  931. across the totality of worlds.
  932.  
  933. One way of viewing this result - that observed conserved quantities are
  934. conserved across the totality of worlds - is to note that new worlds are
  935. not created by the action of the wave equation, rather existing worlds
  936. are split into successively "thinner" and "thinner" slices, if we view
  937. the probability densities as "thickness".
  938.  
  939. Q23  How do probabilities emerge within many-worlds?
  940.      -----------------------------------------------
  941. Everett demonstrated [1], [2] that observations in each world obey all
  942. the usual conventional statistical laws predicted by the probabilistic
  943. Born interpretation, by showing that the Hilbert space's inner product
  944. or norm has a special property which allows us to makes statements about
  945. the worlds where quantum statistics break down.  The norm of the vector
  946. of the set of worlds where experiments contradict the Born
  947. interpretation ("non-random" or "maverick" worlds) vanishes in the limit
  948. as the number of probabilistic trials goes to infinity, as is required
  949. by the frequentist definition of probability.  Hilbert space vectors
  950. with zero norm don't exist (see below), thus we, as observers, only
  951. observe the familiar, probabilistic predictions of quantum theory. 
  952. Everett-worlds where probability breaks down are never realised.
  953.  
  954. Strictly speaking Everett did not prove that the usual statistical laws
  955. of the Born interpretation would hold true for all observers in all
  956. worlds.  He merely showed that no other statistical laws could hold true
  957. and asserted the vanishing of the Hilbert space "volume" or norm of the
  958. set of "maverick" worlds.  DeWitt later published a longer *derivation*
  959. of Everett's assertion [4a], [4b], closely based on an earlier,
  960. independent demonstration by Hartle [H].  What Everett asserted, and
  961. DeWitt/Hartle derived, is that the collective norm of all the maverick
  962. worlds, as the number of trials goes to infinity, vanishes.  Since the
  963. only vector in a Hilbert space with vanishing norm is the null vector
  964. (a defining axiom of Hilbert spaces) this is equivalent to saying that
  965. non-randomness is never realised.  All the worlds obey the usual Born
  966. predictions of quantum theory.  That's why we never observe the
  967. consistent violation of the usual quantum statistics, with, say, heat
  968. flowing from a colder to a hotter macroscopic object.  Zero-probability
  969. events never happen.
  970.  
  971. Of course we have to assume that the wavefunction is a Hilbert space
  972. vector in the first place but, since this assumption is also made in the
  973. standard formulation, this is not a weakness of many-worlds since we are
  974. not trying to justify all the axioms of the conventional formulation of
  975. QM, merely those that relate to probabilities and collapse of the
  976. wavefunction.
  977.  
  978. In more detail the steps are:
  979.  
  980. 1)   Construct the tensor product of N identical systems in state |psi>,
  981.      according to the usual rules for Hilbert space composition
  982.      (repeated indices summed):
  983.      |PSI_N> = |psi_1>*|psi_2>*...... |psi_N> where
  984.      |psi_j> = jth system prepared in state |psi>
  985.              = |i_j><i_j|psi> (ie the amplitude of the ith eigenstate
  986.                               is independent of which system it is in)
  987.      so that 
  988.      |PSI_N> = |i_1>|i_2>...|i_N><i_1|psi><i_2|psi>...<i_N|psi>
  989.  
  990. 2)   Quantify the deviation from the "expected" Born-mean for each
  991.      component of |PSI_N> with respect to the above |i_1>|i_2>...|i_N>
  992.      basis by counting the number of occurrences of the ith
  993.      eigenstate/N.  Call this number RF(i).  Define the Born-deviation
  994.      as D = sum(i)( (RF(i) - |<i|psi>|^2)^2 ).  Thus D, loosely
  995.      speaking, for each N length sequence, quantifies by how much the
  996.      particular sequence differs from the Born-expectation.
  997.  
  998. 3)   Sort out terms in the expansion of |PSI_N> according to whether D
  999.      is less/equal to (.LE.) or greater than (.GT.) E, where E is a
  1000.      real, positive constant.  Collecting terms together we get:
  1001.      |PSI_N> = |N,"D.GT.E"> + |N,"D.LE.E">
  1002.                worlds       worlds
  1003.               for which    for which
  1004.                 D > E       D <= E
  1005.  
  1006. 4)   What DeWitt showed was that:
  1007.      <N,"D.GT.E"|N,"D.GT.E"> < 1/(NE)     (proof in appendix of [4b])
  1008.      Thus as N goes to infinity the right-hand side vanishes for all
  1009.      positive values of E.  (This mirrors the classical "frequentist"
  1010.      position on probability which states that if event i occurs with
  1011.      probability p(i) then the proportion of N trials with outcome i
  1012.      approaches p(i)/N as N goes to infinity [H].  This has the
  1013.      immediate benefit that sum(i) p(i) = 1.)  The norm of |N,"D.LE.E">,
  1014.      by contrast, approaches 1 as N goes to infinity.
  1015.  
  1016.      Note: this property of D is not shared by other definitions, which
  1017.      is why we haven't investigated them.  If, say, we had defined, in
  1018.      step 2), A = sum(i)( (RF(i) - |<i|psi>|)^2 ), so that A measures
  1019.      the deviation from |psi|, rather than |psi|^2, then we find that
  1020.      <A> does not have the desired property of vanishing as N goes to
  1021.      infinity.
  1022.  
  1023. 5)   The norm of the collection of non-random worlds vanishes and
  1024.      therefore must be identified with some complex multiple of the null
  1025.      vector.
  1026.  
  1027. 6)   Since (by assumption) the state vector faithfully models reality
  1028.      then the null vector cannot represent any element of reality, since
  1029.      it can be added to (or subtracted from) any other state vector
  1030.      without altering the other state vector.
  1031.  
  1032. 7)   Ergo the non-random worlds are not realised, without making any
  1033.      additional physical assumptions, such the imposition of a measure.
  1034.  
  1035.      Note: no finite sequence of outcomes is excluded from happening,
  1036.      since the concept of probability and randomness only becomes
  1037.      precise only as N goes to infinity [H].  Thus, heat *could* be
  1038.      observed to flow from a cold to hotter object, but we might have
  1039.      to wait a very long time before observing it.  What *is* excluded
  1040.      is the possibility of this process going on forever.
  1041.  
  1042. The emergence of Born-style probabilities as a consequence of the
  1043. mathematical formalism of the theory, without any extra interpretative
  1044. assumptions, is another reason why the Everett metatheory should not be
  1045. regarded as just an interpretation.  (See "Is many-worlds (just) an
  1046. interpretation?")  The interpretative elements are forced by the
  1047. mathematical structure of the axioms of Hilbert space.
  1048.  
  1049. [H]  JB Hartle _Quantum Mechanics of Individual Systems_ American
  1050.      Journal of Physics Vol 36 #8 704-712 (1968)  Hartle has
  1051.      investigated the N goes to infinity limit in more detail and more
  1052.      generally.  He shows that the relative frequency operator, RF,
  1053.      obeys RF(i) |psi_1>|psi_2>.... = |<i|psi>|^2 |psi_1>|psi_2>....,
  1054.      for a normed state.  Hartle regarded his derivation as essentially
  1055.      the same as Everett's, despite being derived independently.
  1056.  
  1057. Q24  Does many-worlds allow free-will?
  1058.      ---------------------------------
  1059. Many-Worlds, whilst deterministic on the objective universal level, is
  1060. indeterministic on the subjective level so the situation is certainly
  1061. no better or worse for free-will than in the Copenhagen view. 
  1062. Traditional Copenhagen indeterministic quantum mechanics only slightly
  1063. weakens the case for free-will.  In quantum terms each neuron is an
  1064. essentially classical object.  Consequently quantum noise in the brain
  1065. is at such a low level that it probably doesn't often alter, except very
  1066. rarely, the critical mechanistic behaviour of sufficient neurons to
  1067. cause a decision to be different than we might otherwise expect.  The
  1068. consensus view amongst experts is that free-will is the consequence of
  1069. the mechanistic operation of our brains, the firing of neurons,
  1070. discharging across synapses etc and fully compatible with the
  1071. determinism of classical physics.  Free-will is the inability of an
  1072. intelligent, self-aware mechanism to predict its own future actions due
  1073. to the logical impossibility of any mechanism containing a complete
  1074. internal model of itself rather than any inherent indeterminism in the
  1075. mechanism's operation.
  1076.  
  1077. Nevertheless, some people find that with all possible decisions being
  1078. realised in different worlds that the prima facia situation for free-
  1079. will looks quite difficult.  Does this multiplicity of outcomes destroy
  1080. free-will?  If both sides of a choice are selected in different worlds
  1081. why bother to spend time weighing the evidence before selecting?  The
  1082. answer is that whilst all decisions are realised, some are realised more
  1083. often than others - or to put to more precisely each branch of a
  1084. decision has its own weighting or measure which enforces the usual laws
  1085. of quantum statistics.
  1086.  
  1087. This measure is supplied by the mathematical structure of the Hilbert
  1088. spaces.  Every Hilbert space has a norm, constructed from the inner
  1089. product, - which we can think of as analogous to a volume - which
  1090. weights each world or collection of worlds.  A world of zero volume is
  1091. never realised.  Worlds in which the conventional statistical
  1092. predictions consistently break down have zero volume and so are never
  1093. realised.  (See "How do probabilities emerge within many-worlds?")  
  1094.  
  1095. Thus our actions, as expressions of our will, correlate with the weights
  1096. associated with worlds.  This, of course, matches our subjective
  1097. experience of being able to exercise our will, form moral judgements and
  1098. be held responsible for our actions.
  1099.  
  1100. Q25  Why am I in this world and not another?
  1101.      ---------------------------------------
  1102.      Why does the universe appear random?
  1103.      ------------------------------------
  1104. These are really the same questions.  Consider, for a moment, this
  1105. analogy:
  1106.  
  1107. Suppose Fred has his brain divided in two and transplanted into two
  1108. different cloned bodies (this is a gedanken operation! [*]).  Let's
  1109. further suppose that each half-brain regenerates to full functionality
  1110. and call the resultant individuals Fred-Left and Fred-Right.  Fred-Left
  1111. can ask, why did I end up as Fred-Left?  Similarly Fred-Right can ask,
  1112. why did I end up as Fred-Right?  The only answer possible is that there
  1113. was *no* reason.  From Fred's point of view it is a subjectively
  1114. *random* choice which individual "Fred" ends up as.  To the surgeon the
  1115. whole process is deterministic.  To both the Freds it seems random.
  1116.  
  1117. Same with many-worlds.  There was no reason "why" you ended up in this
  1118. world, rather than another - you end up in all the quantum worlds.  It
  1119. is a subjectively random choice, an artifact of your brain and
  1120. consciousness being split, along with the rest of the world, that makes
  1121. our experiences seem random.  The universe is, in effect, performing
  1122. umpteen split-brain operations on us all the time.  The randomness
  1123. apparent in nature is a consequence of the continual splitting into
  1124. mutually unobservable worlds.
  1125.  
  1126. (See "How do probabilities emerge within many-worlds?" for how the
  1127. subjective randomness is moderated by the usual probabilistic laws of
  1128. QM.)
  1129.  
  1130. [*] Split brain experiments *were* performed on epileptic patients
  1131. (severing the corpus callosum, one of the pathways connecting the
  1132. cerebral hemispheres, moderated epileptic attacks).  Complete
  1133. hemispherical separation was discontinued when testing of the patients
  1134. revealed the presence of two distinct consciousnesses in the same skull. 
  1135. So this analogy is only partly imaginary.
  1136.  
  1137. Q26  Can wavefunctions collapse?
  1138.      ---------------------------
  1139. Many-worlds predicts/retrodicts that wavefunctions appear to collapse
  1140. (See "Does the EPR experiment prohibit locality?"), when measurement-
  1141. like interactions (See "What is a measurement?") and processes occur via
  1142. a process called decoherence (See "What is decoherence?"), but claims
  1143. that the wavefunction does not *actually* collapse but continues to
  1144. evolve according to the usual wave-equation.  If a *mechanism* for
  1145. collapse could be found then there would be no need for many-worlds. 
  1146. The reason why we doubt that collapse takes place is because no one has
  1147. ever been able to devise a physical mechanism that could trigger it.
  1148.  
  1149. The Copenhagen interpretation posits that observers collapse
  1150. wavefunctions, but is unable to define "observer".  (See "What is the
  1151. Copenhagen interpretation?" and "Is there any alternative theory?") 
  1152. Without a definition of observer there can be no mechanism triggered by
  1153. their presence.
  1154.  
  1155. Another popular view is that irreversible processes trigger collapse. 
  1156. Certainly wavefunctions *appear* to collapse whenever irreversible
  1157. processes are involved.  And most macroscopic, day-to-day events are
  1158. irreversible.  The problem is, as with positing observers as a cause of
  1159. collapse, that any irreversible process is composed of a large number
  1160. of sub-processes that are each individually reversible.  To invoke
  1161. irreversibility as a *mechanism* for collapse we would have to show that
  1162. new *fundamental* physics comes into play for complex systems, which is
  1163. quite absent at the reversible atom/molecular level.  Atoms and
  1164. molecules are empirically observed to obey some type of wave equation. 
  1165. We have no evidence for an extra mechanism operating on more complex
  1166. systems.  As far as we can determine complex systems are described by
  1167. the quantum-operation of their simpler components interacting together. 
  1168. (Note:  chaos, complexity theory, etc, do not introduce new fundamental
  1169. physics.  They still operate within the reductionistic paradigm -
  1170. despite what many popularisers say.)
  1171.  
  1172. Other people have attempted to construct non-linear theories so that
  1173. microscopic systems are approximately linear and obey the wave equation,
  1174. whilst macroscopic systems are grossly non-linear and generates
  1175. collapse.  Unfortunately all these efforts have made additional
  1176. predictions which, when tested, have failed.  (See "Is physics linear?")
  1177.  
  1178. (Another reason for doubting that any collapse actually takes place is
  1179. that the collapse would have to propagate instantaneously, or in some
  1180. space-like fashion, otherwise the same particle could be observed more
  1181. than once at different locations.  Not fatal, but unpleasant and
  1182. difficult to reconcile with special relativity and some conservation
  1183. laws.)
  1184.  
  1185. The simplest conclusion, which is to be preferred by Ockham's razor, is
  1186. that wavefunctions just *don't* collapse and that all branches of the
  1187. wavefunction exist.
  1188.  
  1189. Q27  Is physics linear?
  1190.      ------------------
  1191.      Could we ever communicate with the other worlds?
  1192.      ------------------------------------------------
  1193.      Why do I only ever experience one world?
  1194.      ----------------------------------------
  1195.      Why am I not aware of the world (and myself) splitting?
  1196.      -------------------------------------------------------
  1197. According to our present knowledge of physics whilst it is possible to
  1198. detect the presence of other nearby worlds, through the existence of
  1199. interference effects, it is impossible travel to or communicate with
  1200. them.  Mathematically this corresponds to an empirically verified
  1201. property of all quantum theories called linearity.  Linearity implies
  1202. that the worlds can interfere with each other with respect to a
  1203. external, unsplit, observer or system but the interfering worlds can't
  1204. influence each other in the sense that an experimenter in one of the
  1205. worlds can arrange to communicate with their own, already split-off,
  1206. quantum copies in other worlds.
  1207.  
  1208. Specifically, the wave equation is linear, with respect to the
  1209. wavefunction or state vector, which means that given any two solutions
  1210. of the wavefunction, with identical boundary conditions, then any linear
  1211. combination of the solutions is another solution.  Since each component
  1212. of a linear solution evolves with complete indifference as to the
  1213. presence or absence of the other terms/solutions then we can conclude
  1214. that no experiment in one world can have any effect on another
  1215. experiment in another world.  Hence no communication is possible between
  1216. quantum worlds.  (This type of linearity mustn't be confused with the
  1217. evident non-linearity of the equations with respect to the *fields*.)
  1218.  
  1219. Non communication between the splitting Everett-worlds also explains why
  1220. we are not aware of any splitting process, since such awareness needs
  1221. communication between worlds.  To be aware of the world splitting you
  1222. would have to be receiving sensory information from, and thereby effect
  1223. by the reverse process, more than one world.  This would enable
  1224. communication between worlds, which is forbidden by linearity.  Ergo,
  1225. we are not aware of any splitting precisely because we are split into
  1226. non-interfering copies along with the rest of the world.
  1227.  
  1228. See also "Is linearity exact?"
  1229.  
  1230. Q28  Can we determine what other worlds there are?
  1231.      ---------------------------------------------
  1232.      Is the form of the Universal Wavefunction knowable?
  1233.      ---------------------------------------------------
  1234. To calculate the form of the universal wavefunction requires not only
  1235. a knowledge of its dynamics (which we have a good approximation to, at
  1236. the moment) but also of the boundary conditions.  To actually calculate
  1237. the form of the universal wavefunction, and hence make inferences about
  1238. *all* the embedded worlds, we would need to know the boundary conditions
  1239. as well.  We are presently restricted to making inferences about those
  1240. worlds with which have shared a common history up to some point, which
  1241. have left traces (records, fossils, etc) still discernable today.  This
  1242. restricts us to a subset of the extant worlds which have shared the same
  1243. boundary conditions with us.  The further we probe back in time the less
  1244. we know of the boundary conditions and the less we can know of the
  1245. universal wavefunction.
  1246.  
  1247. This limits us to drawing conclusions about a restricted subset of the
  1248. worlds - all the worlds which are consistent with our known history up
  1249. to a some common moment, before we diverged.  The flow of historical
  1250. events is, according to chaos/complexity theory/thermodynamics, very
  1251. sensitive to amplification of quantum-scale uncertainty and this
  1252. sensitivity is a future-directed one-way process.  We can make very
  1253. reliable deductions about the past from the knowledge future/present but
  1254. we can't predict the future from knowledge the past/present. 
  1255. Thermodynamics implies that the future is harder to predict than the
  1256. past is to retrodict.  Books get written about this "arrow of time"
  1257. problem but, for the purposes of this discussion, we'll accept the
  1258. thermodynamic origin of time's arrow is as given.  The fossil and
  1259. historical records say that dinosaurs and Adolf Hitler once existed but
  1260. have less to say about the future.
  1261.  
  1262. Consider the effects of that most quantum of activities, Brownian
  1263. motion, on the conception of individuals and the knock-on effects on the
  1264. course of history.  Mutation itself, one of the sources of evolutionary
  1265. diversity, is a quantum event.  For an example of the
  1266. biological/evolutionary implications see Stephen Jay Gould's book
  1267. "Wonderful Life" for an popular exploration of the thesis that the path
  1268. of evolution is driven by chance.  According to Gould evolutionary
  1269. history forms an enormously diverse tree of possible histories - all
  1270. very improbable - with our path being selected by chance.  According to
  1271. many-worlds all these other possibilities are realised.  Thus there are
  1272. worlds in which Hitler won WW-II and other worlds in which the dinosaurs
  1273. never died out.  We can be as certain of this as we are that Hitler and
  1274. the dinosaurs once existed in our own past.
  1275.  
  1276. Whether or not we can ever determine the totality of the universal
  1277. wavefunction is an open question.  If Steven Hawking's work on the no-
  1278. boundary-condition condition is ultimately successful, or it emerges
  1279. from some theory of everything, and many think it will, then the actual
  1280. form of the *total* wavefunction could, in principle, we determined from
  1281. a complete knowledge of physical law itself.
  1282.  
  1283. Q29  Who was Everett?
  1284.      ----------------
  1285. Hugh Everett III (1930-1982) did his undergraduate study in chemical
  1286. engineering at the Catholic University of America.  Studying von
  1287. Neumann's and Bohm's textbooks as part of his graduate studies, under
  1288. Wheeler, in mathematical physics at Princeton University in the 1950s
  1289. he became dissatisfied (like many others before and since) with the
  1290. collapse of the wavefunction.  He developed, during discussions with
  1291. Charles Misner and Aage Peterson (Bohr' assistant, then visiting
  1292. Princeton), his "relative state" formulation.  Wheeler encouraged his
  1293. work and preprints were circulated in January 1956 to a number of
  1294. physicists.  A condensed version of his thesis was published as a paper
  1295. to "The Role of Gravity in Physics" conference held at the University
  1296. of North Carolina, Chapel Hill, in January 1957.
  1297.  
  1298. Everett was discouraged by the lack of response from others,
  1299. particularly Bohr, whom he flew to Copenhagen to meet but got the
  1300. complete brush-off from.  Leaving physics after completing his Ph.D,
  1301. Everett worked as a defense analyst at the Weapons Systems Evaluation
  1302. Group, Pentagon and later became a private contractor, apparently quite
  1303. successfully for he became a multimillionaire.  In 1968 Everett worked
  1304. for the Lambda Corp.  His published papers during this period cover
  1305. things like optimising resource allocation and, in particular,
  1306. maximising kill rates during nuclear-weapon campaigns.
  1307.  
  1308. From 1968 onwards Bryce S DeWitt, one of the 1957 Chapel Hill conference
  1309. organisers, but better known as one of the founders of quantum gravity,
  1310. successfully popularised Everett's relative state formulation as the
  1311. "many-worlds interpretation" in a series of articles [4a],[4b],[5].
  1312.  
  1313. Sometime in 1976-9 Everett visited Austin, Texas, at Wheeler or DeWitt's
  1314. invitation, to give some lectures on QM.  The strict no-smoking rule in
  1315. the auditorium was relaxed for Everett (a chain smoker); the only
  1316. exception ever.  Everett, apparently, had a very intense manner,
  1317. speaking acutely and anticipating questions after a few words.  Oh yes,
  1318. a bit of trivia, he drove a Cadillac with horns.
  1319.  
  1320. With the steady growth of interest in many-worlds in the late 1970s
  1321. Everett planned returning to physics to do more work on measurement in
  1322. quantum theory, but died of a heart attack in 1982.  Survived by his
  1323. wife.
  1324.  
  1325. Q30  What are the problems with quantum theory?
  1326.      ------------------------------------------
  1327. Quantum theory is the most successful description of microscopic systems
  1328. like atoms and molecules ever, yet often it is not applied to larger,
  1329. classical systems, like observers or the entire universe.  Many
  1330. scientists and philosophers are unhappy with the theory because it seems
  1331. to require a fundamental quantum-classical divide.  Einstein, for
  1332. example, despite his early contributions to the subject, was never
  1333. reconciled with assigning to the act of observation a physical
  1334. significance, which most interpretations of QM require.  This
  1335. contradicts the reductionist ethos that, amongst other things,
  1336. observations should emerge only as a consequence of an underlying
  1337. physical theory and not be present at the axiomatic level, as they are
  1338. in the Copenhagen interpretation.  Yet the Copenhagen interpretation
  1339. remains the most popular interpretation of quantum mechanics amongst the
  1340. broad scientific community.  (See "What is the Copenhagen
  1341. interpretation?")
  1342.  
  1343. Q31  What is the Copenhagen interpretation?
  1344.      --------------------------------------
  1345. An unobserved system, according to the Copenhagen interpretation of
  1346. quantum theory, evolves in a deterministic way determined by a wave
  1347. equation.  An observed system changes in a random fashion, at the moment
  1348. of observation, instantaneously, with the probability of any particular
  1349. outcome given by the Born formula.  This is known as the "collapse" or
  1350. "reduction" of the wavefunction.  The problems with this approach are:
  1351. (1)  The collapse is an instantaneous process across an extended
  1352.      region ("non-local") which is non-relativistic.
  1353. (2)  The idea of an observer having an effect on microphysics is
  1354.      repugnant to reductionism and smacks of a return to pre-scientific
  1355.      notions of vitalism.  Copenhagenism is a return to the old vitalist
  1356.      notions that life is somehow different from other matter, operating
  1357.      by different laws from inanimate matter.  The collapse is triggered
  1358.      by an observer, yet no definition of what an "observer" is
  1359.      available, in terms of an atomic scale description, even in
  1360.      principle.
  1361.  
  1362. For these reasons the view has generally been adopted that the
  1363. wavefunction associated with an object is not a real "thing", but merely
  1364. represents our *knowledge* of the object.  This approach was developed
  1365. by Bohr and others, mainly at Copenhagen in the late 1920s.  When we
  1366. perform an measurement or observation of an object we acquire new
  1367. information and so adjust the wavefunction as we would boundary
  1368. conditions in classical physics to reflect this new information.  This
  1369. stance means that we can't answer questions about what's actually
  1370. happening, all we can answer is what will be the probability of a
  1371. particular result if we perform a measurement.  This makes a lot of
  1372. people very unhappy since it provides no model for the object.
  1373.  
  1374. It should be added that there are other, less popular, interpretations
  1375. of quantum theory, but they all have their own drawbacks, which are
  1376. widely reckoned more severe.  Generally speaking they try to find a
  1377. mechanism that describes the collapse process or add extra physical
  1378. objects to the theory, in addition to the wavefunction.  In this sense
  1379. they are more complex.  (See "Is there any alternative theory?")
  1380.  
  1381. Q32  Does the EPR experiment prohibit locality?
  1382.      ------------------------------------------
  1383.      What about Bell's Inequality?
  1384.      -----------------------------
  1385. The EPR experiment is widely regarded as the definitive gedanken
  1386. experiment for demonstrating that quantum mechanics is non-local
  1387. (requires faster-than-light communication) or incomplete.  We shall see
  1388. that it implies neither.
  1389.  
  1390. The EPR experiment was devised, in 1935, by Einstein, Podolsky and Rosen
  1391. to demonstrate that quantum mechanics was incomplete [E].  Bell, in
  1392. 1964, demonstrated that any hidden variables theory, to replicate the
  1393. predictions of QM, must be non-local [B].  QM predicts strong
  1394. correlations between separated systems, stronger than any local hidden
  1395. variables theory can offer.  Bell encoded this statistical prediction
  1396. in the form of some famous inequalities that apply to any type of EPR
  1397. experiment.  Eberhard, in the late 1970s, extended Bell's inequalities
  1398. to cover any local theory, with or without hidden variables.  Thus the
  1399. EPR experiment plays a central role in sorting and testing variants of
  1400. QM.  All the experiments attempting to test EPR/Bell's inequality to
  1401. date (including Aspect's in the 1980s [As]) are in line with the
  1402. predictions of standard QM - hidden variables are ruled out.  Here is
  1403. the paradox of the EPR experiment.  It seems to imply that any physical
  1404. theory must involve faster-than-light "things" going on to maintain
  1405. these "spooky" action-at-a-distance correlations and yet still be
  1406. compatible with relativity, which seems to forbid FTL.
  1407.  
  1408. Let's examine the EPR experiment in more detail.
  1409.  
  1410. So what did EPR propose?  The original proposal was formulated in terms
  1411. of correlations between the positions and momenta of two once-coupled
  1412. particles.  Here I shall describe it in terms of the spin (a type of
  1413. angular momentum intrinsic to the particle) of two electrons.  [In this
  1414. treatment I shall ignore the fact that electrons always form
  1415. antisymmetric combinations.  This does not alter the results but does
  1416. simplify the maths.]  Two initially coupled electrons, with opposed
  1417. spins that sum to zero, move apart from each other across a distance of
  1418. perhaps many light years, before being separately detected, say, by me
  1419. on Earth and you on Alpha Centauri with our respective measuring
  1420. apparatuses.  The EPR paradox results from noting that if we choose the
  1421. same (parallel) spin axes to measure along then we will observe the two
  1422. electrons' spins to be anti-parallel (ie when we communicate we find
  1423. that the spin on our electrons are correlated and opposed).  However if
  1424. we choose measurement spin axes that are perpendicular to each other
  1425. then there is no correlation between electron spins.  Last minute
  1426. alterations in a detector's alignment can create or destroy correlations
  1427. across great distances.  This implies, according to some theorists, that
  1428. faster-than-light influences maintain correlations between separated
  1429. systems in some circumstances and not others.
  1430.  
  1431. Now let's see how many-worlds escapes from this dilemma.
  1432.  
  1433. The initial state of the wavefunction of you, me and the electrons and
  1434. the rest of the universe may be written:
  1435.  
  1436.    |psi> =  |me> |electrons> |you> |rest of universe>
  1437.              on      in       on
  1438.             Earth   deep     Alpha
  1439.                     space   Centauri
  1440. or more compactly, ignoring the rest of the universe, as:
  1441.    |psi> =  |me,electrons,you>  
  1442. And
  1443.      |me> represents me on Earth with my detection apparatus.
  1444.      |electrons> = (|+,-> - |-,+>)/sqrt(2) 
  1445.         represents a pair electrons, with the first electron travelling
  1446.         towards Earth and the second electron travelling towards Alpha
  1447.         Centauri.
  1448.  
  1449.    |+> represents an electron with spin in the +z direction
  1450.    |-> represents an electron with spin in the -z direction
  1451.  
  1452. It is an empirically established fact, which we just have to accept,
  1453. that we can relate spin states in one direction to spin states in other
  1454. directions like so (where "i" is the sqrt(-1)):
  1455.    |left>  = (|+> - |->)/sqrt(2)    (electron with spin in -x direction)
  1456.    |right> = (|+> + |->)/sqrt(2)    (electron with spin in +x direction)
  1457.    |up>    = (|+> + |->i)/sqrt(2)   (electron with spin in +y direction)
  1458.    |down>  = (|+> - |->i)/sqrt(2)   (electron with spin in -y direction)
  1459. and inverting:
  1460.    |+>  = (|right> + |left>)/sqrt(2) =  (|up> + |down>)/sqrt(2)
  1461.    |->  = (|right> - |left>)/sqrt(2) =  (|down> - |up>)i/sqrt(2)
  1462.  
  1463. (In fancy jargon we say that the spin operators in different directions
  1464. form non-commuting observables.  I shall eschew such obfuscations.)
  1465.  
  1466. Working through the algebra we find that for pairs of electrons:
  1467.  
  1468.    |+,-> - |-,+> =  |left,right> -  |right,left>
  1469.                  =  |up,down>i    - |down,up>i
  1470.  
  1471. I shall assume that we are capable of either measuring spin in the x or
  1472. y direction, which are both perpendicular the line of flight of the
  1473. electrons.  After having measured the state of the electron my state is
  1474. described as one of either:
  1475.    |me[l]> represents me + apparatus + records having measured 
  1476.            and recorded the x-axis spin as "left"
  1477.    |me[r]> ditto with the x-axis spin as "right"
  1478.    |me[u]> ditto with the y-axis spin as "up"
  1479.    |me[d]> ditto with the y-axis spin as "down"
  1480.  
  1481. Similarly for |you> on Alpha Centauri.  Notice that it is irrelevant
  1482. *how* we have measured the electron's spin.  The details of the
  1483. measurement process are irrelevant.  (See "What is a measurement?" if
  1484. you're not convinced.)  To model the process it is sufficient to assume
  1485. that there is a way, which we have further assumed does not disturb the
  1486. electron.  (The latter assumption may be relaxed without altering the
  1487. results.)
  1488.  
  1489. To establish familiarity with the notation let's take the state of the
  1490. initial wavefunction as:
  1491.  
  1492.              |psi>_1 =  |me,left,up,you>
  1493.                              /     \
  1494.                            /         \
  1495.     first electron in left          second electron in up state
  1496.     state heading towards              heading towards you on
  1497.         me on Earth                        Alpha Centauri
  1498.         
  1499. After the electrons arrive at their detectors, I measure the spin
  1500. along the x-axis and you along the y-axis.  The wavefunction evolves
  1501. into |psi>_2:
  1502.  
  1503.                 local     
  1504.      |psi>_1 ============> |psi>_2 = |me[l],left,up,you[u]> 
  1505.               observation
  1506.  
  1507. which represents me having recorded my electron on Earth with spin left
  1508. and you having recorded your electron on Alpha Centauri with spin up. 
  1509. The index in []s indicates the value of the record.  This may be held
  1510. in the observer's memory, notebooks or elsewhere in the local
  1511. environment (not necessarily in a readable form).  If we communicate our
  1512. readings to each other the wavefunctions evolves into |psi>_3:
  1513.  
  1514.                remote 
  1515.      |psi>_2 ============> |psi>_3 = |me[l,u],left,up,you[u,l]> 
  1516.              communication
  1517.  
  1518. where the second index in []s represents the remote reading communicated
  1519. to the other observer and being recorded locally.  Notice that the
  1520. results both agree with each other, in the sense that my record of your
  1521. result agrees with your record of your result.  And vice versa.  Our
  1522. records are consistent.
  1523.  
  1524. That's the notation established.  Now let's see what happens in the more
  1525. general case where, again,:
  1526.  
  1527.     |electrons> = (|+,-> - |-,+>)/sqrt(2).
  1528.  
  1529. First we'll consider the case where you and I have previously arranged
  1530. to measure the our respective electron spins along the same x-axis.
  1531.  
  1532. Initially the wavefunction of the system of electrons and two
  1533. experimenters is:
  1534.  
  1535.   |psi>_1 
  1536.     =  |me,electrons,you>
  1537.     =  |me>(|left,right> - |right,left>)|you> /sqrt(2)
  1538.     =  |me,left,right,you> /sqrt(2)
  1539.      - |me,right,left,you> /sqrt(2)
  1540.  
  1541. Neither you or I are yet unambiguously split.
  1542.  
  1543. Suppose I perform my measurement first (in some time frame).  We get
  1544.  
  1545.   |psi>_2
  1546.     =  (|me[l],left,right> - |me[r],right,left>)|you> /sqrt(2)
  1547.     =   |me[l],left,right,you> /sqrt(2)
  1548.       - |me[r],right,left,you> /sqrt(2)
  1549.  
  1550. My measurement has split me, although you, having made no measurement,
  1551. remain unsplit.  In the full expansion the terms that correspond to you
  1552. are identical.
  1553.  
  1554. After the we each have performed our measurements we get:
  1555.  
  1556.   |psi>_3
  1557.     =  |me[l],left,right,you[r]> /sqrt(2)
  1558.      - |me[r],right,left,you[l]> /sqrt(2)
  1559.  
  1560. The observers (you and me) have been split (on Earth and Alpha Centauri)
  1561. into relative states (or local worlds) which correlate with the state
  1562. of the electron.  If we now communicate over interstellar modem (this
  1563. will take a few years since you and I are separated by light years, but
  1564. no matter).  We get:
  1565.  
  1566.   |psi>_4
  1567.     =  |me[l,r],left,right,you[r,l]> /sqrt(2)
  1568.      - |me[r,l],right,left,you[l,r]> /sqrt(2)
  1569.  
  1570. The world corresponding to the 2nd term in the above expansion, for
  1571. example, contains me having seen my electron with spin right and knowing
  1572. that you have seen your electron with spin left.  So we jointly agree,
  1573. in both worlds, that spin has been conserved.
  1574.  
  1575. Now suppose that we had prearranged to measure the spins along different
  1576. axes.  Suppose I measure the x-direction spin and you the y-direction
  1577. spin.  Things get a bit more complex.  To analyse what happens we need
  1578. to decompose the two electrons along their respective spin axes.
  1579.  
  1580.   |psi>_1 =
  1581.       |me,electrons,you>
  1582.     = |me>(|+,-> - |-,+>)|you>/sqrt(2) 
  1583.     = |me> (
  1584.             (|right>+|left>)i(|down>-|up>)
  1585.           - (|right>-|left>)(|down>+|up>)
  1586.            ) |you> /2*sqrt(2) 
  1587.     = |me> (
  1588.             |right>(|down>-|up>)i
  1589.           + |left> (|down>-|up>)i
  1590.           - |right>(|down>+|up>)
  1591.           + |left> (|down>+|up>)
  1592.            ) |you> /2*sqrt(2) 
  1593.     = |me> (
  1594.             |right,down> (i-1) - |right,up> (1+i)
  1595.           + |left,up> (1-i)    + |left,down> (1+i) 
  1596.            ) |you> /2*sqrt(2) 
  1597.     =  (
  1598.        + |me,right,down,you> (i-1)
  1599.        - |me,right,up,you>   (i+1)
  1600.        + |me,left,up,you>    (1-i)
  1601.        + |me,left,down,you>  (1+i) 
  1602.        ) /2*sqrt(2) 
  1603.  
  1604. So after you and I make our local observations we get:
  1605.  
  1606.    |psi>_2 =
  1607.        (
  1608.        + |me[r],right,down,you[d]> (i-1) 
  1609.        - |me[r],right,up,you[u]>   (i+1) 
  1610.        + |me[l],left,up,you[u]>    (1-i) 
  1611.        + |me[l],left,down,you[d]>  (1+i)
  1612.        ) /2*sqrt(2)
  1613.  
  1614. Each term realises a possible outcome of the joint measurements.  The
  1615. interesting thing is that whilst we can decompose it into four terms
  1616. there are only two states for each observer.  Looking at myself, for
  1617. instance, we can rewrite this in terms of states relative to *my*
  1618. records/memories.
  1619.  
  1620.    |psi>_2 = 
  1621.        ( 
  1622.          |me[r],right> ( |down,you[d]> (i-1) - |up,you[u]> (i+1) )
  1623.        + |me[l],left>  ( |up,you[u]> (1-i) + |down,you[d]> (1+i) )
  1624.        ) /2*sqrt(2)
  1625.  
  1626. And we see that there are only two copies of *me*.  Equally we can
  1627. rewrite the expression in terms of states relative to *your*
  1628. records/memory.
  1629.  
  1630.    |psi>_2 =
  1631.        ( 
  1632.          ( |me[l],left> (1-i) - |me[r],right> (i+1) ) |up,you[u]> 
  1633.        + ( |me[r],right> (i-1) + |me[l],left> (1+i) ) |down,you[d]>
  1634.        ) /2*sqrt(2)
  1635.  
  1636. And see that there are only two copies of *you*.   We have each been
  1637. split into two copies, each perceiving a different outcome for our
  1638. electron's spin, but we have not been split by the measurement of the
  1639. remote electron's spin.  
  1640.  
  1641. *After* you and I communicate our readings to each other, more than four
  1642. years later, we get:
  1643.  
  1644.    |psi>_3 =
  1645.        (
  1646.        + |me[r,d],right,down,you[d,r]> (i-1) 
  1647.        - |me[r,u],right,up,you[u,r]>   (i+1) 
  1648.        + |me[l,u],left,up,you[u,l]>    (1-i) 
  1649.        + |me[l,d],left,down,you[d,l]>  (1+i)
  1650.        ) /2*sqrt(2)
  1651.  
  1652. The decomposition into four worlds is forced and unambiguous after
  1653. communication with the remote system.  Until the two observers
  1654. communicated their results to each other they were each unsplit by each
  1655. others' measurements, although their own local measurements had split
  1656. themselves.  The splitting is a local process that is causally
  1657. transmitted from system to system at light or sub-light speeds.  (This
  1658. is a point that Everett stressed about Einstein's remark about the
  1659. observations of a mouse, in the Copenhagen interpretation, collapsing
  1660. the wavefunction of the universe.  Everett observed that it is the mouse
  1661. that's split by its observation of the rest of the universe.  The rest
  1662. of the universe is unaffected and unsplit.)
  1663.  
  1664. When all communication is complete the worlds have finally decomposed
  1665. or decohered from each other.  Each world contains a consistent set of
  1666. observers, records and electrons, in perfect agreement with the
  1667. predictions of standard QM.  Further observations of the electrons will
  1668. agree with the earlier ones and so each observer, in each world, can
  1669. henceforth regard the electron's wavefunction as having collapsed to
  1670. match the historically recorded, locally observed values.  This
  1671. justifies our operational adoption of the collapse of the wavefunction
  1672. upon measurement, without having to strain our credibility by believing
  1673. that it actually happens.
  1674.  
  1675. To recap.  Many-worlds is local and deterministic.  Local measurements
  1676. split local systems (including observers) in a subjectively random
  1677. fashion; distant systems are only split when the causally transmitted
  1678. effects of the local interactions reach them.  We have not assumed any
  1679. non-local FTL effects, yet we have reproduced the standard predictions
  1680. of QM.
  1681.  
  1682. So where did Bell and Eberhard go wrong?  They thought that all theories
  1683. that reproduced the standard predictions must be non-local.  It has been
  1684. pointed out by both Albert [A] and Cramer [C] (who both support
  1685. different interpretations of QM) that Bell and Eberhard had implicity
  1686. assumed that every possible measurement - even if not performed - would
  1687. have yielded a *single* definite result.  This assumption is called
  1688. contra-factual definiteness or CFD [S].  What Bell and Eberhard really
  1689. proved was that every quantum theory must either violate locality *or*
  1690. CFD.  Many-worlds with its multiplicity of results in different worlds
  1691. violates CFD, of course, and thus can be local.
  1692.  
  1693. Thus many-worlds is the only local quantum theory in accord with the
  1694. standard predictions of QM and, so far, with experiment.
  1695.  
  1696. [A]  David Z Albert, _Bohm's Alternative to Quantum Mechanics_
  1697.      Scientific American (May 1994)
  1698. [As] Alain Aspect, J Dalibard, G Roger _Experimental test of Bell's
  1699.      inequalities using time-varying analyzers_ Physical Review Letters
  1700.      Vol 49 #25 1804 (1982).
  1701. [C]  John G Cramer _The transactional interpretation of quantum
  1702.      mechanics_ Reviews of Modern Physics Vol 58 #3 647-687 (1986)
  1703. [B]  John S Bell:  _On the Einstein Podolsky Rosen paradox_ Physics 1
  1704.      #3 195-200 (1964).
  1705. [E]  Albert Einstein, Boris Podolsky, Nathan Rosen:  _Can
  1706.      quantum-mechanical description of physical reality be considered
  1707.      complete?_  Physical Review Vol 41 777-780 (15 May 1935).
  1708. [S]  Henry P Stapp _S-matrix interpretation of quantum-theory_ Physical
  1709.      Review D Vol 3 #6 1303 (1971)
  1710.  
  1711. Q33  Is Everett's relative state formulation the same as many-worlds?
  1712.      ----------------------------------------------------------------
  1713. Yes, Everett's formulation of the relative state metatheory is the same
  1714. as many-worlds, but the language has evolved a lot from Everett's
  1715. original article [2] and some of his work has been extended, especially
  1716. in the area of decoherence.  (See "What is decoherence?")  This has
  1717. confused some people into thinking that Everett's "relative state
  1718. metatheory" and DeWitt's "many-worlds interpretation" are different
  1719. theories.
  1720.  
  1721. Everett [2] talked about the observer's memory sequences splitting to
  1722. form a "branching tree" structure or the state of the observer being
  1723. split by a measurement.  (See "What is a measurement?")  DeWitt
  1724. introduced the term "world" for describing the split states of an
  1725. observer, so that we now speak of the observer's world splitting during
  1726. the measuring process.  The maths is the same, but the terminology is
  1727. different.  (See "What is a world?")
  1728.  
  1729. Everett tended to speak in terms of the measuring apparatus being split
  1730. by the measurement, into non-interfering states, without presenting a
  1731. detailed analysis of *why* a measuring apparatus was so effective at
  1732. destroying interference effects after a measurement, although the topics
  1733. of orthogonality, amplification and irreversibility were covered.  (See
  1734. "What is a measurement?", "Why do worlds split?" and "When do worlds
  1735. split?")  DeWitt [4b], Gell-Mann and Hartle [10], Zurek [7a] and others
  1736. have introduced the terminology of "decoherence" (See "What is
  1737. decoherence?") to describe the role of amplification and irreversibility
  1738. within the framework of thermodynamics.
  1739.  
  1740. Q34  What is a relative state?
  1741.      -------------------------
  1742. The relative state of something is the state that something is in,
  1743. *conditional* upon, or relative to, the state of something else.  What
  1744. the heck does that mean?  It means, amongst other things, that states
  1745. in the same Everett-world are all states relative to each other.  (See
  1746. "Quantum mechanics and Dirac notation" for more precise details.)
  1747.  
  1748. Let's take the example of Schrodinger's cat and ask what is the relative
  1749. state of the observer, after looking inside the box?  The relative state
  1750. of the observer (either "saw cat dead" or "saw cat alive") is
  1751. conditional upon the state of the cat (either "dead" or "alive").
  1752.  
  1753. Another example: the relative state of the last name of the President
  1754. of the Unites States, in 1995, is "Clinton".  Relative to what? 
  1755. Relative to you and me, in this world.  In some other worlds it will be
  1756. "Bush", "Smith", etc .......  Each possibility is realised in some world
  1757. and it is the relative state of the President's name, relative to the
  1758. occupants of that world.
  1759.  
  1760. According to Everett almost all states are relative states.  Only the
  1761. state of the universal wavefunction is not relative but absolute.
  1762.  
  1763. Q35  Was Everett a "splitter"?
  1764.      -------------------------
  1765. Some people believe that Everett eschewed all talk all splitting or
  1766. branching observers in his original relative state formulation [2]. 
  1767. This is contradicted by the following quote from [2]:
  1768.      [...] Thus with each succeeding observation (or interaction),
  1769.      the observer state "branches" into a number of different
  1770.      states. Each branch represents a different outcome of the
  1771.      measurement and the *corresponding* eigenstate for the object-
  1772.      system state. All branches exist simultaneously in the
  1773.      superposition after any given sequence of observations.[#]
  1774.        The "trajectory" of the memory configuration of an observer
  1775.      performing a sequence of measurements is thus not a linear
  1776.      sequence of memory configurations, but a branching tree, with
  1777.      all possible outcomes existing simultaneously in a final
  1778.      superposition with various coefficients in the mathematical
  1779.      model. [...]
  1780.  
  1781.        [#] Note added in proof-- In reply to a preprint of this
  1782.      article some correspondents have raised the question of the
  1783.      "transition from possible to actual," arguing that in
  1784.      "reality" there is-as our experience testifies-no such
  1785.      splitting of observers states, so that only one branch can
  1786.      ever actually exist. Since this point may occur to other
  1787.      readers the following is offered in explanation.
  1788.        The whole issue of the transition from "possible" to
  1789.      "actual" is taken care of in the theory in a very simple way-
  1790.      there is no such transition, nor is such a transition
  1791.      necessary for the theory to be in accord with our experience.
  1792.      From the viewpoint of the theory *all* elements of a
  1793.      superposition (all "branches") are "actual," none are any more
  1794.      "real" than the rest. It is unnecessary to suppose that all
  1795.      but one are somehow destroyed, since all separate elements of
  1796.      a superposition individually obey the wave equation with
  1797.      complete indifference to the presence or absence ("actuality"
  1798.      or not) of any other elements. This total lack of effect of
  1799.      one branch on another also implies that no observer will ever
  1800.      be aware of any "splitting" process.
  1801.        Arguments that the world picture presented by this theory
  1802.      is contradicted by experience, because we are unaware of any
  1803.      branching process, are like the criticism of the Copernican
  1804.      theory that the mobility of the earth as a real physical fact
  1805.      is incompatible with the common sense interpretation of nature
  1806.      because we feel no such motion. In both case the arguments
  1807.      fails when it is shown that the theory itself predicts that
  1808.      our experience will be what it in fact is. (In the Copernican
  1809.      case the addition of Newtonian physics was required to be able
  1810.      to show that the earth's inhabitants would be unaware of any
  1811.      motion of the earth.)
  1812.  
  1813. Q36  What unique predictions does many-worlds make?
  1814.      ----------------------------------------------
  1815. A prediction occurs when a theory suggests new phenomena.  Many-worlds
  1816. makes at least three predictions, two of them unique: about linearity,
  1817. (See "Is linearity exact?"), quantum gravity (See "Why *quantum*
  1818. gravity?") and reversible quantum computers (See "Could we detect other
  1819. Everett-worlds?").
  1820.  
  1821. Q37  Could we detect other Everett-worlds?
  1822.      -------------------------------------
  1823. Many-Worlds predicts that the Everett-worlds do not interact with each
  1824. other because of the presumed linearity of the wave equation.  However
  1825. worlds *do* interfere with each other, and this enables the theory to
  1826. be tested.  (Interfere and interact mean different things in quantum
  1827. mechanics.  Pictorially: Interactions occur at the vertices within
  1828. Feynman diagrams.  Interference occurs when you add together different
  1829. Feynman diagrams with the same external lines.)
  1830.  
  1831. According to many-worlds model worlds split with the operation of every
  1832. thermodynamically irreversible process.  The operation of our minds are
  1833. irreversible, carried along for the ride, so to speak, and divide with
  1834. the division of worlds.  Normally this splitting is undetectable to us. 
  1835. To detect the splitting we need to set an up experiment where a mind is
  1836. split but the world *isn't*.  We need a reversible mind.
  1837.  
  1838. The general consensus in the literature [11], [16] is that the
  1839. experiment to detect other worlds, with reversible minds, will be doable
  1840. by, perhaps, about mid-21st century.  That date is predicted from two
  1841. trendlines, both of which are widely accepted in their own respective
  1842. fields.  To detect the other worlds you need a reversible machine
  1843. intelligence.  This requires two things: reversible nanotechnology and
  1844. AI.
  1845.  
  1846. 1) Reversible nanoelectronics.  This is an straight-line extrapolation
  1847. based upon the log(energy) / logic operation figures, which are
  1848. projected to drop below kT in about 2020.  This trend has held good for
  1849. 50 years.  An operation that thermally dissipates much less than kT of
  1850. energy is reversible.  (This implies that frictive or dissipative forces
  1851. are insignificant by comparison with other processes.)  If more than kT
  1852. of energy is released then, ultimately, new degrees of freedom are
  1853. activated in the environment and the change becomes irreversible.
  1854.  
  1855. 2) AI.  Complexity of human brain = approx 10^17 bits/sec, based on the
  1856. number of neurons (approx 10^10) per human brain, average number of
  1857. synapses per neuron (approx 10^4) and the average firing rate (approx
  1858. 10^3 Hz).  Straight line projection of log(cost) / logic operation says
  1859. that human level, self-aware machine intelligences will be commercially
  1860. available by about 2030-2040.  Uncertainty due to present human-level
  1861. complexity, but the trend has held good for 40 years.
  1862.  
  1863. Assuming that we have a reversible machine intelligence to hand then the
  1864. experiment consists of the machine making three reversible measurements
  1865. of the spin of an electron (or polarisation of a photon).  (1) First it
  1866. measures the spin along the z-axis.  It records either spin "up" or spin
  1867. "down" and notes this in its memory.  This measurement acts just to
  1868. prepare the electron in a definite state.  (2) Second it measures the
  1869. spin along the x-axis and records either spin "left" or spin "right" and
  1870. notes *this* in its memory.  The machine now reverses the entire x-axis
  1871. measurement - which must be possible, since physics is effectively
  1872. reversible, if we can describe the measuring process physically -
  1873. including reversibly erasing its memory of the second measurement.  (3)
  1874. Third the machine takes a spin measurement along the z-axis.  Again the
  1875. machine makes a note of the result.  
  1876.  
  1877. According to the Copenhagen interpretation the original (1) and final
  1878. (3) z-axis spin measurements have only a 50% chance of agreeing because
  1879. the intervention of the x-axis measurement by the conscious observer
  1880. (the machine) caused the collapse of the electron's wavefunction. 
  1881. According to many-worlds the first and third measurements will *always*
  1882. agree, because there was no intermediate wavefunction collapse.  The
  1883. machine was split into two states or different worlds, by the second
  1884. measurement; one where it observed the electron with spin "left"; one
  1885. where it observed the electron with spin "right".  Hence when the
  1886. machine reversed the second measurement these two worlds merged back
  1887. together, restoring the original state of the electron 100% of the time.
  1888.  
  1889. Only by accepting the existence of the other Everett-worlds is this 100%
  1890. restoration explicable.
  1891.  
  1892. Q38  Why *quantum* gravity?
  1893.      ----------------------
  1894. Many-worlds makes a very definite prediction - gravity must be
  1895. quantised, rather than exist as the purely classical background field
  1896. of general relativity.  Indeed, no one has conclusively directly
  1897. detected (classical) gravity waves (as of 1994), although their
  1898. existence has been indirectly observed in the slowing of the rotation
  1899. of pulsars and binary systems.  Some claims have been made for the
  1900. detection of gravity waves from supernova explosions in our galaxy, but
  1901. these are not generally accepted.  Neither has anyone has directly
  1902. observed gravitons, which are predicted by quantum gravity, presumably
  1903. because of the weakness of the gravitational interaction.  Their
  1904. existence has been, and is, the subject of much speculation.  Should,
  1905. in the absence of any empirical evidence, gravity be quantised at all? 
  1906. Why not treat gravity as a classical force, so that quantum physics in
  1907. the vicinity of a mass becomes quantum physics on a curved Riemannian
  1908. background?  According to many-worlds there *is* empirical evidence for
  1909. quantum gravity.
  1910.  
  1911. To see why many-worlds predicts that gravity must be quantised, let's
  1912. suppose that gravity is not quantised, but remains a classical force. 
  1913. If all the other worlds that many-worlds predicts exist then their
  1914. gravitational presence should be detectable -- we would all share the
  1915. same background gravitational metric with our co-existing quantum
  1916. worlds.  Some of these effects might be undetectable.  For instance if
  1917. all the parallel Earths shared the same gravitational field small
  1918. perturbations in one Earth's orbit from the averaged background orbit
  1919. across all the Everett-worlds would damp down, eventually, and remain
  1920. undetectable.
  1921.  
  1922. However theories of galactic evolution would need considerable
  1923. revisiting if many-worlds was true and gravity was not quantised, since,
  1924. according to the latest cosmological models, the original density
  1925. fluctuations derive from quantum fluctuations in the early universe,
  1926. during the inflationary era.  These quantum fluctuations lead to the
  1927. formation of clusters and super-clusters of galaxies, along with
  1928. variations in the cosmic microwave background (detected by Smoots et al)
  1929. which vary in location from Everett-cosmos to cosmos.  Such fluctuations
  1930. could not grow to match the observed pattern if all the density
  1931. perturbations across all the parallel Everett-cosmoses were
  1932. gravitationally interacting.  Stars would bind not only to the observed
  1933. galaxies, but also to the host of unobserved galaxies.
  1934.  
  1935. A theory of classical gravity also breaks down at the scale of objects
  1936. that are not bound together gravitationally.  Henry Cavendish, in 1798,
  1937. measured the torque produced by the gravitational force on two separated
  1938. lead spheres suspended from a torsion fibre in his laboratory to
  1939. determine the value of Newton's gravitational constant.  Cavendish
  1940. varied the positions of other, more massive lead spheres and noted how
  1941. the torsion in the suspending fibre varied.  Had the suspended lead
  1942. spheres been gravitationally influenced by their neighbours, placed in
  1943. different positions by parallel Henry Cavendishs in the parallel
  1944. Everett-worlds, then the torsion would have been the averaged sum of all
  1945. these contributions, which was not observed.  In retrospect Cavendish
  1946. established that the Everett-worlds are not detectable gravitationally. 
  1947. More recent experiments where the location of attracting masses were
  1948. varied by a quantum random (radioactive) source have confirmed these
  1949. findings. [W]
  1950.  
  1951. A shared gravitational field would also screw up geo-gravimetric
  1952. surveys, which have successfully detected the presence of mountains,
  1953. ores and other density fluctuations at the Earth's surface.  Such
  1954. surveys are not sensitive to the presence of the parallel Everett-Earths
  1955. with different geological structures.  Ergo the other worlds are not
  1956. detectable gravitationally.  That gravity must be quantised emerges as
  1957. a unique prediction of many-worlds.
  1958.  
  1959. [W]  Louis Witten _Gravitation: an introduction to current research_ 
  1960.      New York, Wiley (1962).
  1961.      _Essays in honor of Louis Witten on his retirement.  Topics on
  1962.      quantum gravity and beyond_: University of Cincinnati, USA, 3-4
  1963.      April 1992 / editors, Freydoon Mansouri & Joseph J. Scanio. 
  1964.      Singapore ; River Edge, NJ : World Scientific, c1993 ISBN 981021290
  1965.  
  1966. Q39  Is linearity exact?
  1967.      -------------------
  1968. Linearity (of the wavefunction) has been verified to hold true to better
  1969. than 1 part in 10^27 [W].  If slight non-linear effects were ever
  1970. discovered then the possibility of communication with, or travel to, the
  1971. other worlds would be opened up.  The existence of parallel Everett-
  1972. worlds can be used to argue that physics must be *exactly* linear, that
  1973. non-linear effects will never be detected.  (See "Is physics linear" for
  1974. more about linearity.)
  1975.  
  1976. The argument for exactness uses a version of the weak anthropic
  1977. principle and proceeds thus: the exploitation of slight non-linear
  1978. quantum effects could permit communication with and travel to the other
  1979. Everett-worlds.  A sufficiently advanced "early" civilisation [F] might
  1980. colonise uninhabited other worlds, presumably in an exponentially
  1981. spreading fashion.  Since the course of evolution is dictated by random
  1982. quantum events (mutations, genetic recombination) and environmental
  1983. effects (asteroidal induced mass extinctions, etc) it seems inevitable
  1984. that in a minority, although still a great many, of these parallel
  1985. worlds life on Earth has already evolved sapient-level intelligence and
  1986. developed an advanced technology millions or even billions of years ago. 
  1987. Such early arrivals, under the usual Darwinian pressure to expand, would
  1988. spread across the parallel time tracks, if they had the ability,
  1989. displacing their less-evolved quantum neighbours.
  1990.  
  1991. The fossil record indicates that evolution, in our ancestral lineage,
  1992. has proceeded at varying rates at different times.  Periods of rapid
  1993. development in complexity (eg the Cambrian explosion of 530 millions
  1994. years ago or the quadrupling of brain size during the recent Ice Ages)
  1995. are interspersed with long periods of much slower development.  This
  1996. indicates that we are not in the fast lane of evolution, where all the
  1997. lucky breaks turned out just right for the early development of
  1998. intelligence and technology.  Ergo none of the more advanced
  1999. civilisations that exist in other worlds have ever been able to cross
  2000. from one quantum world to another and interrupt our long, slow
  2001. biological evolution.
  2002.  
  2003. The simplest explanation is that physics is sufficiently linear to
  2004. prevent travel between Everett worlds.  If technology is only bounded
  2005. by physical law (the Feinberg principle [F]) then linearity would have
  2006. to be exact.
  2007.  
  2008. [F]  Gerald Feinberg.  _Physics and Life Prolongation_ Physics Today Vol
  2009.      19 #11 45 (1966). "A good approximation for such [technological]
  2010.      predictions is to assume that everything will be accomplished that
  2011.      does not violate known fundamental laws of science as well as  many
  2012.      things that do violate these laws."
  2013.  
  2014. [W]  Steven Weinberg _Testing Quantum Mechanics_ Annals of Physics Vol
  2015.      194 #2 336-386 (1989) and _Dreams of a Final Theory_ (1992)
  2016.  
  2017. Q40  Why can't the boundary conditions be updated to reflect my
  2018.      ----------------------------------------------------------
  2019.      observations in this one world?
  2020.      -------------------------------
  2021. What is lost by this approach is a unique past assigned to each future. 
  2022. If you time-evolve the world-we-now-see backwards in time you get a
  2023. superposition of earlier starting worlds.  Similarly if you time evolve
  2024. a single (initial) world forward you get a superposition of later
  2025. (final) worlds.
  2026.  
  2027. For example consider a photon that hits a half-silvered mirror and turns
  2028. into a superposition of a transmitted and a reflected photon.  If we
  2029. time-evolve one of these later states backwards we get not the original
  2030. photon, but the original photon plus a "mirror image" of the original
  2031. photon.  (Try the calculation and see.)  Only if we retain both the
  2032. reflected and transmitted photons, with the correct relative phase, do
  2033. we recover the single incoming photon when we time-reverse everything. 
  2034. (The mirror image contributions from both the final states have opposite
  2035. signs and cancel out, when they are evolved backwards in time to before
  2036. the reflection event.)
  2037.  
  2038. All the starting states have to have their relative phases coordinated
  2039. or correlated just right (ie coherently) or else it doesn't work out. 
  2040. Needless to say the chances that the initial states should be arranged
  2041. coherently just so that they yield the one final observed state are
  2042. infinitesimal and in violation of observed thermodynamics, which states,
  2043. in one form, that correlations only increase with time.
  2044.  
  2045. A1   References and further reading
  2046.      ------------------------------
  2047. [1]  Hugh Everett III _The Theory of the Universal Wavefunction,
  2048.      Princeton thesis_ (1956?)
  2049.      The original and most comprehensive paper on many-worlds. 
  2050.      Investigates and recasts the foundations of quantum theory in
  2051.      information theoretic terms, before moving on to consider the
  2052.      nature of interactions, observation, entropy, irreversible
  2053.      processes, classical objects etc.  138 pages.  Only published in
  2054.      [5].
  2055. [2]  Hugh Everett III _"Relative State" Formulation of Quantum
  2056.      Mechanics_ Reviews of Modern Physics Vol 29 #3 454-462, (July
  2057.      1957)  A condensation of [1] focusing on observation.
  2058. [3]  John A Wheeler _Assessment of Everett's "Relative State"
  2059.      Formulation of Quantum Theory_, Reviews of Modern Physics Vol
  2060.      29 #3 463-465 (July 1957)  Wheeler was Everett's PhD
  2061.      supervisor.
  2062. [4a] Bryce S DeWitt _Quantum Mechanics and Reality_ Physics Today,
  2063.      Vol 23 #9 30-40 (September 1970)  An early and accurate
  2064.      popularisations of Everett's work.  The April 1971 issue has
  2065.      reader feedback and DeWitt's responses.
  2066. [4b] Bryce S DeWitt _The Many-Universes Interpretation of Quantum
  2067.      Mechanics_ in _Proceedings of the International School of Physics
  2068.      "Enrico Fermi" Course IL: Foundations of Quantum Mechanics_
  2069.      Academic Press (1972)
  2070. [5]  Bryce S DeWitt, R Neill Graham eds _The many-worlds
  2071.      Interpretation of Quantum Mechanics_, Contains
  2072.      [1],[2],[3],[4a],[4b] plus other material.  Princeton Series
  2073.      in Physics, Princeton University Press (1973) ISBN 0-691-
  2074.      08126-3 (hard cover), 0-691-88131-X (paper back)  The
  2075.      definitive guide to many-worlds, if you can get hold of a
  2076.      copy, but now (1994) only available xeroxed from microfilm
  2077.      (ISBN 0-7837-1942-6) from Books On Demand, 300 N Zeeb Road,
  2078.      Ann Arbor, MI 48106-1346, USA.  Tel: +01-313 761 4700 or 800
  2079.      521 0600.
  2080. [15] Frank J Tipler _The many-worlds interpretation of quantum mechanics
  2081.      in quantum cosmology_ in _Quantum Concepts of Space and Time_ eds
  2082.      Roger Penrose and Chris Isham, Oxford University Press (1986).  Has
  2083.      a discussion of Ockham's razor.
  2084. On quantum theory, measurement and decoherence generally:
  2085. [6]  John A Wheeler, Wojciech H Zurek eds _Quantum Theory and
  2086.      Measurement_ Princeton Series in Physics, Princeton University
  2087.      Press (1983) ISBN 0-691-08316-9.  Contains 49 classic
  2088.      articles, including [2], covering the history and development
  2089.      of interpretations of quantum theory. 
  2090. [7a] Wojciech H Zurek _Decoherence and the Transition from the
  2091.      Quantum to the Classical_, Physics Today, 36-44 (October
  2092.      1991). The role of thermodynamics and the properties of large
  2093.      ergodic systems (like the environment) are related to the
  2094.      decoherence or loss of interference effects between superposed
  2095.      macrostates.
  2096. [7b] Wojciech H Zurek _Preferred States, Predictability, Classicality,
  2097.      and the Environment-Induced Decoherence_  Progress of Theoretical
  2098.      Physics, Vol 89 #2 281-312 (1993)  A fuller expansion of [7a]
  2099. [8]  Max Jammer _The Philosophy of Quantum Mechanics_ Wiley, New
  2100.      York (1974)  Almost every interpretation of quantum mechanics
  2101.      is covered and contrasted.  Section 11.6 contains a lucid
  2102.      review of many-worlds theories.
  2103. [9]  Bethold-Georg Englert, Marlan O Scully, Herbert Walther _Quantum
  2104.      optical tests of complementarity_ Nature, Vol 351, 111-116 (9 May
  2105.      1991). Demonstrates that quantum interference effects are destroyed
  2106.      by irreversible object-apparatus correlations ("measurement"), not
  2107.      by Heisenberg's uncertainty principle itself.  See also _The
  2108.      Duality in Matter and Light_ Scientific American, (December 1994)
  2109. [10] Murray Gell-Mann, James B Hartle _Quantum Mechanics in the Light
  2110.      of Quantum Cosmology_ Proceedings of the 3rd International
  2111.      Symposium on the Foundations of Quantum Mechanics (1989) 321-343. 
  2112.      They accept the Everett's decoherence analysis, and have extended
  2113.      it further.
  2114. Tests of the Everett metatheory:
  2115. [11] David Deutsch _Quantum theory as a universal physical theory_
  2116.      International Journal of Theoretical Physics, Vol 24 #1
  2117.      (1985).  Describes an experiment which tests for the existence
  2118.      of superpositions of *consciousness (in an AI).
  2119. [16] David Deutsch _Three connections between Everett's interpretation
  2120.      and experiment_ Quantum Concepts of Space and Time, eds Roger
  2121.      Penrose and Chris Isham, Oxford University Press (1986).  Discusses
  2122.      a testable split observer experiment and quantum computing.
  2123. On quantum computers:
  2124. [12] David Deutsch _Quantum theory, the Church-Turing principle and the
  2125.      universal quantum computer_ Proceedings of the Royal Society of
  2126.      London, Vol. A400, 96-117 (1985).
  2127. [13] David Deutsch _Quantum computational networks_ Proceedings of
  2128.      the Royal Society of London, Vol. A425, 73-90 (1989).
  2129. [14] David Deutsch and R. Jozsa _Rapid solution of problems by
  2130.      quantum computation_ Proceedings of the Royal Society of
  2131.      London, Vol. A439, 553-558 (1992).
  2132. [17] Julian Brown _A Quantum Revolution for Computing_ New Scientist,
  2133.      pages 21-24, 24-September-1994
  2134.  
  2135. A2   Quantum mechanics and Dirac notation 
  2136.      ------------------------------------
  2137. Note: this is a very inadequate guide.  Read a more comprehensive text
  2138. ASAP.  For a more technical exposition of QM the reader is referred to
  2139. the standard textbooks.  Here are 3 I recommend:
  2140.  
  2141. Richard P Feynman _QED: the strange story of light and matter_ ISBN 0-
  2142. 14-012505-1.  (Requires almost no maths and is universally regarded as
  2143. outstanding, despite being about quantum electrodynamics.)
  2144.  
  2145. Richard P Feynman _The Feynman Lectures in Physics_ Volume III Addison-
  2146. Wesley (1965) ISBN 0-201-02118-8-P.  The other volumes are worth reading
  2147. too!
  2148.  
  2149. Daniel T Gillespie _A Quantum Mechanics Primer: An Elementary
  2150. Introduction to the Formal Theory of Non-relativistic Quantum Mechanics_ 
  2151. (Takes an axiomatic, geometric approach and teaches all the Hilbert
  2152. space stuff entirely by analogy with Euclidean vector spaces.  Not sure
  2153. if it is still in print.)
  2154.  
  2155. Quantum theory is the most successful theory of physics and chemistry
  2156. ever.  It accounts for a wide range of phenomena from black body
  2157. radiation, atomic structure and chemistry, which were very puzzling
  2158. before quantum mechanics was first developed (c1926) in its modern form. 
  2159. All theories of physics are quantum physics, with whole new fields, like
  2160. the semiconductor and microchip technology, based upon the quantum
  2161. effects.  This FAQ assumes familiarity with the basics of quantum theory
  2162. and with the associated "paradoxes" of wave-particle duality.  It will
  2163. not explain the uncertainty principle or delve into the significance of
  2164. non-commuting matrix operators.  Only those elements of quantum theory
  2165. necessary for an understanding of many-worlds are covered here.
  2166.  
  2167. Quantum theory contains, as a central object, an abstract mathematical
  2168. entity called the "wavefunction" or "state vector".  Determining the
  2169. equations that describe its form and evolution with time is an
  2170. unfinished part of fundamental theoretical physics.  Presently we only
  2171. have approximations to some "correct" set of equations, often referred
  2172. to whimsically as the Theory of Everything.
  2173.  
  2174. The wavefunction, in bracket or Dirac notation, is written as |symbol>,
  2175. where "symbol" labels the object.  A dog, for example, might be
  2176. represented as |dog>.
  2177.  
  2178. A general object, labelled "psi" by convention, is represented as |psi>
  2179. and called a "ket".  Objects called "bra"s, written <psi|, may be formed
  2180. from kets.  An arbitrary bra <psi'| and ket |psi> may be combined
  2181. together to form the bracket, <psi'|psi>, or inner product, which is
  2182. just a fancy way of constructing a complex number.  Amongst the
  2183. properties of the inner product is:
  2184.  
  2185.    <psi'|(|psi1>*a_1 + |psi2>*a_2) = <psi'|psi1>*a_1 + <psi'|psi2>*a_2
  2186.  
  2187. where the a_i are arbitrary complex numbers.  This is what is meant by
  2188. saying that the inner product is linear on the right or ket side.  It
  2189. is made linear on the left-hand or bra side by defining 
  2190.  
  2191.    <psi|psi'> = complex conjugate of <psi'|psi>
  2192.  
  2193. Any ket may be expanded as:
  2194.  
  2195.   |psi> = sum |i>*<i|psi> 
  2196.            i
  2197.         = |1>*<1|psi> + |2>*<2|psi> + ...
  2198. where the states |i> form an orthonormal basis, with <i|j> = 1 for i =
  2199. j and = 0 otherwise, and where i labels some parameter of the object
  2200. (like position or momentum).
  2201.  
  2202. The probability amplitudes, <i|psi>, are complex numbers.  It is
  2203. empirically observed, first noted by Max Born and afterwards called the
  2204. Born interpretation, that their magnitudes squared represent the
  2205. probability that, upon observation, that the value of the parameter,
  2206. labelled by i, will be observed if the system is the state represented
  2207. by |psi>.  It is also empirically observed that after observing the
  2208. system in state |i> that we can henceforth replace the old value of the
  2209. wavefunction, |psi>, with the observed value, |i>.  This replacement is
  2210. known as the collapse of the wavefunction and is the source of much
  2211. philosophical controversy.  Somehow the act of measurement has selected
  2212. out one of the components.  This is known as the measurement problem and
  2213. it was this phenomenon that Everett addressed.
  2214.  
  2215. When a bra, <psi|, is formed from a ket, |psi>, and both are inner
  2216. productted together the result, <psi|psi>, is a non-negative real
  2217. number, called the norm of the vector.  The norm of a vector provides
  2218. a basis-independent way of measuring the "volume" of the vector.
  2219.  
  2220. The wavefunction for a joint system is built out of products of the
  2221. components from the individual subsystems.  
  2222.  
  2223. For example if the two systems composing the joint system are a cat and
  2224. a dog, each of which may be in two states, alive or dead, and the state
  2225. of the cat and the dog were *independent* of each other then we could
  2226. write the total wavefunction as a product of terms. If
  2227.     |cat> = |cat alive> * c_a + |cat dead> * c_d
  2228. and 
  2229.     |dog> = |dog alive> * d_a + |dog dead> * d_d
  2230. then
  2231.     |dog+cat> = |cat>x|dog>           where x = tensor product
  2232.        =  (|cat alive> * c_a + |cat dead> * c_d)
  2233.         x (|dog alive> * d_a + |dog dead> * d_d)
  2234.        =    |cat alive> x |dog alive> * c_a * d_a 
  2235.           + |cat alive> x |dog dead> * c_a * d_d
  2236.           + |cat dead> x |dog alive> * c_d * d_a
  2237.           + |cat dead> x |dog dead> * c_d * d_d
  2238.        =    |cat alive, dog alive> * c_a * d_a 
  2239.           + |cat alive, dog dead> * c_a * d_d
  2240.           + |cat dead, dog alive> * c_d * d_a
  2241.           + |cat dead, dog dead> * c_d * d_d
  2242.  
  2243. More generally, though, we states of subsystems are not independent of
  2244. each other we have to use a more general formula:
  2245.  
  2246.    |dog+cat> = |cat alive, dog alive> * a_1
  2247.              + |cat alive, dog dead> * a_2
  2248.              + |cat dead, dog alive> * a_3
  2249.              + |cat dead, dog dead> * a_4
  2250.  
  2251. This is sometimes described by saying that the states of the cat and dog
  2252. have become entangled.  It is fairly trivial to define the state of the
  2253. cat and the dog with respect to each other.  For instance we could re-
  2254. express the above expansion with respect to the cat's two states as:
  2255.  
  2256.    |dog+cat> = 
  2257.         |cat alive>x(|dog alive> * a_1 + |dog dead> * a_2)
  2258.       + |cat dead>x(|dog alive> * a_3 + |dog dead> * a_4)
  2259.  
  2260. We term the state of the dog the *relative state* (Everett invented this
  2261. terminology) with respect to the cat, specifying which cat state (alive
  2262. or dead) we are interested in.  This thus the dog's relative state with
  2263. respect to the cat alive state is:
  2264.  
  2265.       (|dog alive> * a_1 + |dog dead> * a_2)/sqrt(|a_1|^2 + |a_2|^2)
  2266.  
  2267. where the sqrt term has been added to normalise the relative state.
  2268.