Imaginarni brojevi su ono što dobijete kada izvadite kvadratni korijen negativnog broja i oni se dugo koriste u najvažnijim jednadžbama kvantne mehanike, grane fizike koja opisuje svijet vrlo malih veličina. Ako zbrojite imaginarne i stvarne brojeve, dobit ćete kompleksne brojeve koji fizičarima omogućuju pisanje kvantnih jednadžbi jednostavnim jezikom. Ali pitanje trebaju li kvantnoj teoriji te matematičke himere ili se jednostavno koriste kao zgodne kratice dugo je ostalo kontroverzno.
Zapravo, čak su i sami utemeljitelji kvantne mehanike smatrali zabrinjavajućim posljedice korištenja kompleksnih brojeva u svojim jednadžbama. U pismu svom prijatelju Hendriku Lorentzu, fizičar Erwin Schrödinger – prvi koji je svojom kvantnom valnom funkcijom (ψ) uveo kompleksne brojeve u kvantnu teoriju – napisao je: “Ono što je ovdje neugodno, a čemu se zaista treba izravno prigovoriti, je korištenje složenih brojeva brojeva Ψ je sigurno prava funkcija.”
Schrödinger je pronašao način da svoju jednadžbu izrazi koristeći samo realne brojeve zajedno s dodatnim skupom pravila za korištenje jednadžbe, a kasniji su fizičari učinili isto s drugim dijelovima kvantne teorije. Ali u nedostatku uvjerljivih eksperimentalnih dokaza koji podupiru predviđanja ovih "potpuno stvarnih" jednadžbi, ostaje otvoreno pitanje: jesu li imaginarni brojevi opcionalno pojednostavljenje ili pokušaj rada bez njih lišava kvantnu teoriju njezine sposobnosti da opiše stvarnost?
Dvije nove studije, objavljene 15. prosinca u časopisima Nature i Physical Review Letters, dokazale su da Schrödinger nije bio u pravu. Relativno jednostavnim eksperimentom pokazuju da su, ako je kvantna mehanika točna, imaginarni brojevi nužan dio matematike našeg svemira.
Kako bi provjerili jesu li kompleksni brojevi doista vitalni, autori prve studije osmislili su novu verziju klasičnog kvantnog eksperimenta poznatog kao Bellov test. Ovaj test prvi je predložio fizičar John Bell 1964. godine kao način da se dokaže da je kvantna isprepletenost – čudna veza između dviju udaljenih čestica kojoj se Albert Einstein protivio kao “jezivom djelovanju na daljinu” – potrebna kvantnoj teoriji.
Također zanimljivo:
- Stvoren je kvantni mikroskop koji može vidjeti nemoguće
- Kvantna tehnologija ubrzava potragu za tamnom tvari
U svojoj ažuriranoj verziji klasičnog Bellovog testa, fizičari su osmislili eksperiment u kojem su dva neovisna izvora (koja su nazvali S i R) postavljena između tri detektora (A, B i C) u elementarnoj kvantnoj mreži. Izvor S zatim emitira dvije čestice svjetlosti, ili fotone, jednu poslanu u A, a drugu u B u zapletenom stanju. Izvor R također emitira dva zapletena fotona, šaljući ih u čvorove B i C. Ako bi svemir bio opisan standardnom kvantnom mehanikom na temelju kompleksnih brojeva, tada fotoni koji stižu do detektora A i C ne bi trebali biti zapleteni, ali u kvantnoj teoriji, na temelju na realnim brojevima, oni moraju biti zbunjujući.
Kako bi to testirali, istraživači druge studije proveli su eksperiment u kojem su laserskim zrakama osvijetlili kristal. Energija koju je laser prenio nekim atomima kristala kasnije je oslobođena kao zapleteni fotoni. Promatrajući stanja fotona koji ulaze u tri detektora, istraživači su vidjeli da su stanja fotona koji ulaze u detektore A i C isprepletena, što znači da se njihovi podaci mogu opisati samo kvantnom teorijom koristeći kompleksne brojeve.
Rezultat ima intuitivnog smisla: 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 prevladavajuća pravila kvantne mehanike točna. Većina znanstvenika vjeruje da jest, ali ovo je važno upozorenje. "Rezultat sugerira da su mogući načini opisivanja svemira pomoću matematike zapravo mnogo ograničeniji nego što smo mogli misliti", rekli su stručnjaci.
Istraživači su rekli da bi njihova eksperimentalna postavka, koja je rudimentarna kvantna mreža, mogla biti korisna za prepoznavanje principa na kojima bi budući kvantni internet mogao funkcionirati.
Pročitajte također: