Въображаемите числа са това, което получавате, когато извадите корен квадратен от отрицателно число, и те отдавна се използват в най-важните уравнения на квантовата механика, клонът на физиката, който описва света на много малки количества. Ако съберете въображаеми и реални числа, получавате комплексни числа, които позволяват на физиците да пишат квантови уравнения на разбираем език. Но въпросът дали квантовата теория се нуждае от тези математически химери или те просто се използват като удобни съкращения дълго време остава спорен.
Всъщност дори самите основатели на квантовата механика намират последствията от използването на комплексни числа в техните уравнения за обезпокоителни. В писмо до своя приятел Хендрик Лоренц, физикът Ервин Шрьодингер – първият човек, който въвежда комплексни числа в квантовата теория със своята квантова вълнова функция (ψ) – пише: „Това, което е неприятно тук и срещу което наистина трябва да се възрази директно, е използването на комплексни числа числа Ψ със сигурност е реална функция.
Шрьодингер намери начин да изрази своето уравнение, използвайки само реални числа заедно с допълнителен набор от правила за използване на уравнението, а по-късно физиците направиха същото с други части на квантовата теория. Но при липсата на убедителни експериментални доказателства в подкрепа на предсказанията на тези „напълно реални“ уравнения, въпросът остава открит: имагинерните числа незадължително опростяване ли са или опитът да се работи без тях лишава квантовата теория от способността й да описва реалността?
Две нови проучвания, публикувани на 15 декември в списанията Nature и Physical Review Letters, доказаха, че Шрьодингер греши. Чрез сравнително прост експеримент те показват, че ако квантовата механика е вярна, въображаемите числа са необходима част от математиката на нашата вселена.
За да проверят дали комплексните числа наистина са жизненоважни, авторите на първото изследване разработиха нова версия на класически квантов експеримент, известен като теста на Бел. Този тест е предложен за първи път от физика Джон Бел през 1964 г. като начин да се докаже, че квантовото заплитане – странната връзка между две отдалечени частици, срещу което Алберт Айнщайн възразява като „призрачно действие на разстояние“ – е необходимо на квантовата теория.
Също интересно:
- Създаден е квантов микроскоп, способен да види невъзможното
- Квантовата технология ускорява търсенето на тъмна материя
В тяхната актуализирана версия на класическия тест на Бел, физиците разработиха експеримент, в който два независими източника (които те нарекоха S и R) бяха поставени между три детектора (A, B и C) в елементарна квантова мрежа. След това източникът S излъчва две частици светлина или фотони, едната изпратена към A, а другата към B в заплетено състояние. Източникът R също излъчва два заплетени фотона, изпращайки ги към възли B и C. Ако Вселената беше описана от стандартната квантова механика, базирана на комплексни числа, тогава фотоните, пристигащи до детектори A и C, не би трябвало да бъдат заплетени, но в квантовата теория, базирана на на реални числа, те трябва да са объркващи.
За да проверят това, изследователите от второто проучване проведоха експеримент, в който осветиха кристал с лазерни лъчи. Енергията, която лазерът предава на някои от атомите на кристала, по-късно се освобождава като заплетени фотони. Като разгледаха състоянията на фотоните, влизащи в трите детектора, изследователите видяха, че състоянията на фотоните, влизащи в детектори A и C, са заплетени, което означава, че техните данни могат да бъдат описани само от квантовата теория, използвайки комплексни числа.
Резултатът има интуитивен смисъл: фотоните трябва физически да взаимодействат, за да се заплитат, така че фотоните, пристигащи до детектори A и C, не трябва да се заплитат, ако са произведени от различни физически източници. Изследователите обаче подчертаха, че техният експеримент изключва теории, които не използват въображаеми числа, само ако преобладаващите правила на квантовата механика са верни. Повечето учени вярват, че е така, но това е важно предупреждение. „Резултатът предполага, че възможните начини за описване на Вселената с помощта на математика всъщност са много по-ограничени, отколкото може би сме предполагали“, казаха експертите.
Изследователите казаха, че тяхната експериментална настройка, която е елементарна квантова мрежа, може да бъде полезна за идентифициране на принципите, на които може да работи бъдещият квантов интернет.
Прочетете също: