Imaginarni brojevi su ono što dobijete kada uzmete kvadratni korijen negativnog broja, a oni se dugo koriste u najvažnijim jednadžbama kvantne mehanike, grane fizike koja opisuje svijet vrlo malih količina. Ako zbrojite imaginarne i realne brojeve, dobijate kompleksne brojeve koji omogućavaju fizičarima da napišu kvantne jednadžbe jednostavnim jezikom. Ali pitanje da li su kvantnoj teoriji potrebne ove matematičke himere ili se one jednostavno koriste kao zgodne skraćenice, dugo je ostalo kontroverzno.
Zapravo, čak su i sami osnivači kvantne mehanike smatrali da su posljedice korištenja kompleksnih brojeva u njihovim jednačinama zabrinjavajuće. U pismu svom prijatelju Hendriku Lorentzu, fizičar Erwin Schrödinger – prva osoba koja je svojom kvantnom valnom funkcijom (ψ) uvela kompleksne brojeve u kvantnu teoriju – napisao je: „Ono što je ovdje neugodno, a čemu zaista treba direktno prigovoriti, je upotreba kompleksnih brojeva brojeva Ψ je svakako stvarna funkcija.”
Schrödinger je pronašao način da izrazi svoju jednačinu koristeći samo realne brojeve zajedno sa dodatnim skupom pravila za korištenje jednačine, a kasniji su fizičari učinili isto s drugim dijelovima kvantne teorije. Ali u nedostatku uvjerljivih eksperimentalnih dokaza koji bi podržali predviđanja ovih "potpuno stvarnih" jednačina, ostaje otvoreno pitanje: jesu li imaginarni brojevi neobavezno pojednostavljenje ili pokušaj rada bez njih lišava kvantnu teoriju njene sposobnosti da opiše stvarnost?
Dvije nove studije, objavljene 15. decembra u časopisima Nature i Physical Review Letters, pokazale su da je Schrödinger u krivu. Kroz relativno jednostavan eksperiment, oni pokazuju da ako je kvantna mehanika ispravna, imaginarni brojevi su neophodan dio matematike našeg svemira.
Kako bi provjerili jesu li kompleksni brojevi zaista vitalni, autori prve studije osmislili su novu verziju klasičnog kvantnog eksperimenta poznatog kao Bell test. Ovaj test je prvi predložio fizičar John Bell 1964. godine kao način da se dokaže da je kvantno isprepletenost – čudna veza između dvije udaljene čestice kojoj je Albert Einstein prigovorio kao “sablasnom djelu na daljinu” – potrebna kvantnoj teoriji.
Također zanimljivo:
- Stvoren je kvantni mikroskop koji može vidjeti nemoguće
- Kvantna tehnologija ubrzava potragu za tamnom materijom
U svojoj ažuriranoj verziji klasičnog Bell testa, fizičari su osmislili eksperiment u kojem su dva nezavisna izvora (koja su nazvali S i R) postavljena između tri detektora (A, B i C) u elementarnoj kvantnoj mreži. Izvor S tada emituje dvije čestice svjetlosti, ili fotona, od kojih jedan šalje A, a drugi B u zapletenom stanju. Izvor R također emituje dva zapletena fotona, šaljući ih u čvorove B i C. Ako je svemir opisan standardnom kvantnom mehanikom zasnovanom na kompleksnim brojevima, onda fotoni koji stignu do detektora A i C ne bi trebali biti zapleteni, već u kvantnoj teoriji, zasnovani na na realnim brojevima, sigurno su zbunjujući.
Da bi to testirali, istraživači druge studije izveli su eksperiment u kojem su sijali laserske zrake na kristal. Energija koju je laser dao nekim atomima kristala kasnije je oslobođena kao zapleteni fotoni. Gledajući stanja fotona koji ulaze u tri detektora, istraživači su vidjeli da su stanja fotona koji ulaze u detektore A i C bila isprepletena, što znači da se njihovi podaci mogu opisati samo kvantnom teorijom koristeći kompleksne brojeve.
Rezultat ima intuitivni smisao: fotoni moraju fizički komunicirati da bi se zapleli, tako da fotoni koji stignu do detektora A i C ne smiju biti zapetljani ako su proizvedeni iz različitih fizičkih izvora. Istraživači su, međutim, naglasili da njihov eksperiment isključuje teorije koje ne koriste imaginarne brojeve, samo ako su preovlađujuća pravila kvantne mehanike tačna. Većina naučnika vjeruje da jeste, ali ovo je važno upozorenje. "Rezultat sugerira da su mogući načini za opisivanje svemira pomoću matematike zapravo mnogo ograničeniji nego što smo mislili", rekli su stručnjaci.
Istraživači su rekli da bi njihova eksperimentalna postavka, koja je rudimentarna kvantna mreža, mogla biti korisna za identifikaciju principa na kojima bi budući kvantni internet mogao funkcionirati.
Pročitajte također: