Imaginární čísla jsou to, co získáte, když vezmete druhou odmocninu ze záporného čísla, a už dlouho se používají v nejdůležitějších rovnicích kvantové mechaniky, oboru fyziky, který popisuje svět velmi malých veličin. Pokud sečtete imaginární a reálná čísla, dostanete komplexní čísla, která umožňují fyzikům psát kvantové rovnice v jednoduchém jazyce. Ale otázka, zda kvantová teorie potřebuje tyto matematické chiméry, nebo zda se jednoduše používají jako vhodné zkratky, zůstávala dlouho kontroverzní.
Ve skutečnosti dokonce i samotní zakladatelé kvantové mechaniky považovali důsledky používání komplexních čísel ve svých rovnicích za znepokojivé. Fyzik Erwin Schrödinger – první člověk, který svou kvantovou vlnovou funkcí (ψ) zavedl do kvantové teorie komplexní čísla, v dopise svému příteli Hendriku Lorentzovi napsal: „Co je zde nepříjemného a proti čemu by se skutečně mělo přímo namítat, je použití komplexních čísel čísel Ψ je jistě skutečná funkce.“
Schrödinger skutečně našel způsob, jak vyjádřit svou rovnici pouze pomocí reálných čísel spolu s dalším souborem pravidel pro použití rovnice, a pozdější fyzici udělali totéž s jinými částmi kvantové teorie. Ale při absenci přesvědčivých experimentálních důkazů na podporu předpovědí těchto „zcela reálných“ rovnic zůstává otázka otevřená: jsou imaginární čísla volitelným zjednodušením, nebo pokusy o práci bez nich zbavují kvantovou teorii její schopnosti popisovat realitu?
Dvě nové studie, zveřejněné 15. prosince v časopisech Nature a Physical Review Letters, ukázaly, že se Schrödinger mýlil. Prostřednictvím poměrně jednoduchého experimentu ukazují, že pokud je kvantová mechanika správná, jsou imaginární čísla nezbytnou součástí matematiky našeho vesmíru.
Aby autoři první studie otestovali, zda jsou komplexní čísla skutečně životně důležitá, vymysleli novou verzi klasického kvantového experimentu známého jako Bellův test. Tento test byl poprvé navržen fyzikem Johnem Bellem v roce 1964 jako způsob, jak dokázat, že kvantová teorie – podivné spojení mezi dvěma vzdálenými částicemi, proti kterému Albert Einstein namítal jako „strašidelnou akci na dálku“ – potřebovala kvantová teorie.
Zajímavé také:
- Byl vytvořen kvantový mikroskop schopný vidět nemožné
- Kvantová technologie urychluje hledání temné hmoty
Ve své aktualizované verzi klasického Bellova testu fyzici vymysleli experiment, ve kterém byly dva nezávislé zdroje (které nazývali S a R) umístěny mezi tři detektory (A, B a C) v elementární kvantové síti. Zdroj S pak vyzařuje dvě částice světla neboli fotony, jednu posílanou do A a druhou do B ve spleteném stavu. Zdroj R také emituje dva zapletené fotony a posílá je do uzlů B a C. Pokud by byl vesmír popsán standardní kvantovou mechanikou založenou na komplexních číslech, pak by fotony přicházející k detektorům A a C neměly být zapletené, ale v kvantové teorii založené na na reálných číslech, musí být matoucí.
Aby to vědci z druhé studie otestovali, provedli experiment, ve kterém svítili laserovými paprsky na krystal. Energie, kterou laser předal některým atomům krystalu, byla později uvolněna jako propletené fotony. Při pohledu na stavy fotonů vstupujících do tří detektorů vědci viděli, že stavy fotonů vstupujících do detektorů A a C byly propletené, což znamená, že jejich data mohla být popsána pouze kvantovou teorií pomocí komplexních čísel.
Výsledek dává intuitivní smysl: fotony musí fyzicky interagovat, aby se zapletly, takže fotony přicházející k detektorům A a C nesmí být zapleteny, pokud byly produkovány různými fyzickými zdroji. Vědci však zdůraznili, že jejich experiment vylučuje teorie, které nepoužívají imaginární čísla, pouze pokud jsou platná pravidla kvantové mechaniky správná. Většina vědců se domnívá, že ano, ale toto je důležité upozornění. "Výsledek naznačuje, že možné způsoby, jak popsat vesmír pomocí matematiky, jsou ve skutečnosti mnohem omezenější, než jsme si mysleli," uvedli odborníci.
Výzkumníci uvedli, že jejich experimentální nastavení, což je základní kvantová síť, by mohlo být užitečné pro identifikaci principů, na kterých by mohl budoucí kvantový internet fungovat.
Přečtěte si také: