اعداد خیالی برای توصیف دقیق واقعیت مورد نیاز است، پیشنهاد دو مطالعه جدید.
اعداد خیالی آن چیزی هستند که با گرفتن جذر یک عدد منفی به دست می آورید و مدت هاست که در مهمترین معادلات استفاده می شود. مکانیک کوانتومی، شاخه ای از فیزیک که دنیای افراد بسیار جوان را توصیف می کند. وقتی اعداد خیالی را اضافه می کنید و اعداد واقعی، هر دو اعداد مختلط را تشکیل می دهند که به فیزیکدانان اجازه می دهد معادلات کوانتومی را به صورت ساده بنویسند. اما اینکه آیا نظریه کوانتومی به این واهی‌های ریاضی نیاز دارد یا به سادگی از آنها به عنوان میانبرهای راحت استفاده می‌کند، مدت‌ها مورد بحث بوده است.
در واقع، حتی خود بنیانگذاران مکانیک کوانتومی نیز فکر می کردند که عواقب داشتن اعداد مختلط در معادلاتشان آزاردهنده است. فیزیکدان اروین شرودینگر، اولین انسانی که با تابع موج کوانتومی خود (() اعداد مختلط را وارد نظریه کوانتومی کرد، در نامه ای به دوستش هندریک لورنز، نوشت: استفاده از اعداد مختلط. Ψ قطعاً یک ویژگی اساساً واقعی است."
متصل: زیباترین معادلات دنیا
شرودینگر راه‌هایی برای بیان معادله‌اش فقط با اعداد واقعی، همراه با مجموعه‌ای از قوانین اضافی در مورد نحوه استفاده از معادله پیدا کرد، و فیزیکدانان بعدی همین کار را با سایر بخش‌های نظریه کوانتومی انجام دادند. اما در غیاب شواهد تجربی محکم برای پیش‌بینی این معادلات «همه واقعی»، این سؤال به تأخیر افتاده است: آیا اعداد خیالی یک ساده‌سازی اختیاری هستند، یا تلاش برای کار بدون آنها، نظریه کوانتومی را از توانایی آن برای توصیف واقعیت محروم می‌کند؟
اکنون دو مطالعه در 15 دسامبر در مجلات منتشر شده است طبیعت و نامه معاینه فیزیکی، ثابت کرد که شرودینگر اشتباه می کند. از طریق یک آزمایش نسبتاً ساده، آنها نشان می‌دهند که اگر مکانیک کوانتومی درست باشد، اعداد خیالی بخشی ضروری از ریاضیات از جهان ما
مارک-اولیویر رنو، نویسنده اصلی، فیزیکدان نظری در موسسه علوم فوتونیک در اسپانیا، در ایمیلی به لایو ساینس گفت: اولین خالقان مکانیک کوانتومی نتوانستند راهی برای تفسیر اعداد مختلط که در تئوری ظاهر می‌شوند، بیابند. "داشتن آنها [complex numbers] بسیار خوب کار می کند، اما هیچ راه روشنی برای شناسایی اعداد مختلط با عنصر واقعیت وجود ندارد."
برای آزمایش اینکه آیا اعداد مختلط واقعاً حیاتی هستند یا خیر، نویسندگان اولین مطالعه پیچشی را در آزمایش کوانتومی کلاسیک موسوم به تست بل طراحی کردند. این آزمایش برای اولین بار توسط فیزیکدان جان بل در سال 1964 به عنوان راهی برای اثبات این موضوع پیشنهاد شد که درهم تنیدگی کوانتومی - ارتباط عجیب بین دو ذره دور که آلبرت انیشتین به عنوان "عملی از راه دور شبح‌آلود" به آن اعتراض کرد - توسط نظریه کوانتومی مورد نیاز است.
در نسخه به روز شده خود از آزمون کلاسیک بل، فیزیکدانان آزمایشی را توسعه دادند که در آن دو منبع مستقل (که S و R نامیده می‌شدند) بین سه آشکارساز (A، B و C) در یک شبکه کوانتومی ابتدایی قرار می‌گرفتند. منبع S سپس دو ذره یا فوتون نور - یکی فرستاده شده به A و دیگری به B - در حالت درهم از خود ساطع می کند. منبع R همچنین دو فوتون درهم تنیده ساطع می‌کند و آنها را به گره‌های B و C می‌فرستد. اگر جهان با مکانیک کوانتومی استاندارد بر اساس اعداد مختلط توصیف شده بود، فوتون‌هایی که به آشکارسازهای A و C می‌رسند مجبور نبودند در هم بپیچند، اما در نظریه کوانتومی بر اساس اعداد واقعی، آنها این کار را انجام می دهند.
برای آزمایش این تنظیم، محققان در مطالعه دوم آزمایشی را انجام دادند که در آن پرتوهای لیزر را به یک کریستال تاباندند. انرژی که لیزر به برخی از اتم های کریستال می دهد، بعداً به صورت فوتون های درهم تنیده آزاد می شود. محققان با بررسی حالات فوتون‌هایی که به سه آشکارساز خود می‌رسند، دریافتند که حالت‌های فوتون‌هایی که به آشکارسازهای A و C می‌رسند درهم‌تنیده نیستند، به این معنی که داده‌های آنها را فقط می‌توان با استفاده از اعداد مختلط توسط نظریه کوانتومی توصیف کرد.
نتیجه حس شهودی دارد. فوتون ها برای در هم تنیده شدن باید به صورت فیزیکی برهم کنش داشته باشند، بنابراین آنهایی که به آشکارسازهای A و C می رسند، اگر از منبع فیزیکی متفاوتی تولید شوند، نباید در هم تنیده شوند. با این حال، محققان تاکید کردند که آزمایش آنها نظریه هایی را که در صورت درست بودن قراردادهای فعلی مکانیک کوانتومی، اعداد خیالی را کنار می گذارند، حذف می کند. اکثر دانشمندان بسیار متقاعد شده اند که چنین است، اما این یک هشدار مهم است.
رنو گفت که نتیجه نشان می‌دهد که راه‌های ممکن که می‌توانیم جهان را با ریاضیات توصیف کنیم، در واقع بسیار محدودتر از آن چیزی است که فکر می‌کردیم.
«تنها با مشاهده آنچه از برخی آزمایش‌ها به دست می‌آید، می‌توانیم بسیاری از توصیف‌های بالقوه را بدون هیچ گونه فرضی حذف کنیم. [on the] رنو گفت: «قابلیت اطمینان دستگاه‌های فیزیکی مورد استفاده در این آزمایش. در آینده، این ممکن است به این معنی باشد که برای رسیدن به یک نظریه کوانتومی کامل فیزیکدانان، تنها تعداد کمی آزمایش بر اساس اصول اولیه مورد نیاز است.
علاوه بر این، محققان همچنین گفتند که راه اندازی آزمایشی آنها، که یک شبکه کوانتومی ابتدایی بود، می تواند در تشریح اصولی مفید باشد که یک اینترنت کوانتومی آینده می تواند بر اساس آن کار کند.
در ابتدا در Live Science منتشر شد.