الأرقام التخيلية هي ما تحصل عليه عندما تأخذ الجذر التربيعي لعدد سالب ، وقد استخدمت منذ فترة طويلة في أهم معادلات ميكانيكا الكم ، فرع الفيزياء الذي يصف عالم الكميات الصغيرة جدًا. إذا جمعت أرقامًا خيالية وحقيقية ، فستحصل على أرقام معقدة تسمح للفيزيائيين بكتابة معادلات كمومية بلغة واضحة. لكن مسألة ما إذا كانت نظرية الكم تحتاج إلى هذه الهيميرات الرياضية أو ما إذا كانت تُستخدم ببساطة كاختصارات ملائمة ظلت لفترة طويلة موضع جدل.
في الواقع ، حتى مؤسسو ميكانيكا الكم أنفسهم وجدوا أن عواقب استخدام الأعداد المركبة في معادلاتهم مثيرة للقلق. في رسالة إلى صديقه هندريك لورنتز ، كتب الفيزيائي إروين شرودنغر - أول شخص أدخل الأعداد المعقدة في نظرية الكم من خلال دالة الموجة الكمومية (ψ) -: "ما هو غير سار هنا ، وما الذي يجب حقًا الاعتراض عليه بشكل مباشر ، هو استخدام الأعداد المركبة Ψ هي بالتأكيد وظيفة حقيقية ".
وجد شرودنجر طريقة للتعبير عن معادلته باستخدام الأعداد الحقيقية فقط جنبًا إلى جنب مع مجموعة إضافية من القواعد لاستخدام المعادلة ، وفي وقت لاحق فعل الفيزيائيون الشيء نفسه مع أجزاء أخرى من نظرية الكم. لكن في ظل عدم وجود أدلة تجريبية مقنعة لدعم تنبؤات هذه المعادلات "الحقيقية تمامًا" ، يظل السؤال مفتوحًا: هل الأرقام التخيلية تبسيط اختياري ، أم أن محاولة العمل بدونها تحرم نظرية الكم من قدرتها على وصف الواقع؟
أثبتت دراستان جديدتان ، تم نشرهما في 15 ديسمبر في مجلتي Nature و Physical Review Letters ، أن شرودنغر كان على خطأ. من خلال تجربة بسيطة نسبيًا ، أظهروا أنه إذا كانت ميكانيكا الكم صحيحة ، فإن الأرقام التخيلية هي جزء ضروري من رياضيات كوننا.
لاختبار ما إذا كانت الأعداد المعقدة ضرورية حقًا ، ابتكر مؤلفو الدراسة الأولى نسخة جديدة من تجربة الكم الكلاسيكية المعروفة باسم اختبار بيل. تم اقتراح هذا الاختبار لأول مرة من قبل الفيزيائي جون بيل في عام 1964 كطريقة لإثبات أن التشابك الكمي - الارتباط الغريب بين جسيمين بعيدين اعترض عليهما ألبرت أينشتاين باعتباره "عملًا شبحيًا عن بعد" - كان مطلوبًا من قبل نظرية الكم.
مثير للاهتمام أيضًا:
في نسختهم المحدثة من اختبار بيل الكلاسيكي ، ابتكر الفيزيائيون تجربة تم فيها وضع مصدرين مستقلين (أطلقوا عليهما S و R) بين ثلاثة أجهزة كشف (A و B و C) في شبكة كمومية أولية. يُصدر المصدر S بعد ذلك جسيمين من الضوء ، أو الفوتونات ، يتم إرسال أحدهما إلى A والآخر إلى B في حالة التشابك. يُصدر المصدر R أيضًا فوتونين متشابكين ، ويرسلهما إلى العقدتين B و C. إذا تم وصف الكون بميكانيكا الكم القياسية بناءً على أرقام معقدة ، فلا ينبغي أن تكون الفوتونات التي تصل إلى الكاشفين A و C متشابكة ، ولكن في نظرية الكم ، على الأعداد الحقيقية ، لابد أنها مربكة.
لاختبار ذلك ، أجرى الباحثون في الدراسة الثانية تجربة قاموا فيها بتسليط أشعة الليزر على بلورة. تم إطلاق الطاقة التي ينقلها الليزر إلى بعض ذرات البلورة في وقت لاحق على شكل فوتونات متشابكة. من خلال النظر في حالات دخول الفوتونات إلى الكاشفات الثلاثة ، رأى الباحثون أن حالات دخول الفوتونات للكاشفات A و C كانت متشابكة ، مما يعني أنه لا يمكن وصف بياناتها إلا من خلال نظرية الكم باستخدام الأعداد المركبة.
النتيجة منطقية بديهية: يجب أن تتفاعل الفوتونات جسديًا لتصبح متشابكة ، لذلك يجب ألا تتشابك الفوتونات التي تصل إلى الكاشفين A و C إذا تم إنتاجها بواسطة مصادر فيزيائية مختلفة. ومع ذلك ، أكد الباحثون أن تجربتهم تستبعد النظريات التي لا تستخدم الأرقام التخيلية ، فقط إذا كانت القواعد السائدة لميكانيكا الكم صحيحة. يعتقد معظم العلماء أنه كذلك ، لكن هذا تحذير مهم. وقال الخبراء "النتيجة تشير إلى أن الطرق الممكنة لوصف الكون باستخدام الرياضيات هي في الواقع محدودة أكثر بكثير مما كنا نعتقد".
قال الباحثون إن إعدادهم التجريبي ، وهو عبارة عن شبكة كمومية بدائية ، يمكن أن يكون مفيدًا في تحديد المبادئ التي قد تعمل عليها الإنترنت الكمومية في المستقبل.
اقرأ أيضا: