Képzeletbeli számokat kapunk, amikor egy negatív szám négyzetgyökét vesszük, és régóta használják a kvantummechanika legfontosabb egyenleteiben, a fizika azon ágában, amely a nagyon kis mennyiségek világát írja le. Ha összeadja a képzeletbeli és a valós számokat, akkor olyan komplex számokat kap, amelyek lehetővé teszik a fizikusok számára, hogy egyszerű nyelven kvantumegyenleteket írjanak fel. De az a kérdés, hogy a kvantumelméletnek szüksége van-e ezekre a matematikai kimérákra, vagy egyszerűen csak kényelmes rövidítésként használják őket, régóta vitatott.
Valójában még maguk a kvantummechanika megalapítói is aggasztónak találták a komplex számok egyenleteikben való felhasználásának következményeit. Barátjának, Hendrik Lorentznek írt levelében Erwin Schrödinger fizikus – az első ember, aki kvantumhullámfüggvényével (ψ) bevezette a komplex számokat a kvantumelméletbe – ezt írta: „Mi az, ami itt kellemetlen, és amit valójában közvetlenül kifogásolhatunk? a komplex számok használata Ψ minden bizonnyal valós függvény.”
Schrödinger valóban megtalálta a módját, hogy egyenletét csak valós számokkal fejezze ki, valamint az egyenlet használatára vonatkozó további szabályokat, és a későbbi fizikusok ugyanezt tették a kvantumelmélet más részeivel. Ám e „teljesen valós” egyenletek előrejelzését alátámasztó meggyőző kísérleti bizonyítékok hiányában továbbra is nyitva marad a kérdés: vajon a képzeletbeli számok opcionális leegyszerűsítések-e, vagy ha ezek nélkül próbálunk dolgozni, megfosztja a kvantumelméletet attól, hogy leírja a valóságot?
A Nature és Physical Review Letters folyóiratban december 15-én megjelent két új tanulmány bebizonyította, hogy Schrödinger tévedett. Egy viszonylag egyszerű kísérlettel megmutatják, hogy ha a kvantummechanika helyes, akkor a képzeletbeli számok elengedhetetlen részei az univerzumunk matematikájának.
Annak tesztelésére, hogy a komplex számok valóban létfontosságúak-e, az első tanulmány szerzői kidolgozták a Bell-teszt néven ismert klasszikus kvantumkísérlet új változatát. Ezt a tesztet először John Bell fizikus javasolta 1964-ben annak bizonyítására, hogy a kvantum-összefonódásra – a két távoli részecske közötti furcsa kapcsolatra, amelyet Albert Einstein „kísérteties távoli cselekvésként” tiltakozott – a kvantumelméletnek szüksége volt.
Szintén érdekes:
- Létrehoztak egy kvantummikroszkópot, amely képes meglátni a lehetetlent
- A kvantumtechnológia felgyorsítja a sötét anyag keresését
A klasszikus Bell-teszt frissített változatában a fizikusok kidolgoztak egy kísérletet, amelyben két független forrást (amelyeket S-nek és R-nek neveztek) három detektor (A, B és C) közé helyeztek egy elemi kvantumhálózatban. Az S forrás ezután két fényrészecskét vagy fotont bocsát ki, az egyiket A-ba, a másikat B-be küldik összefonódott állapotban. Az R forrás két összegabalyodott fotont is kibocsát, ezeket a B és C csomópontokba küldi. Ha az univerzumot szabványos kvantummechanikával írták volna le komplex számok alapján, akkor az A és C detektorokhoz érkező fotonokat nem kell összegabalyodni, hanem kvantumelmélet alapján, valós számok esetén ezek bizonyára zavaróak.
Ennek tesztelésére a második tanulmány kutatói végeztek egy kísérletet, amelyben lézersugarat világítottak meg egy kristályon. Az energia, amelyet a lézer adott a kristály egyes atomjainak, később összegabalyodott fotonok formájában szabadult fel. A három detektorba belépő fotonok állapotát megvizsgálva a kutatók azt látták, hogy az A és C detektorba belépő fotonok állapota összegabalyodott, vagyis adataikat csak kvantumelmélet írja le komplex számok segítségével.
Az eredmény intuitív értelmű: a fotonoknak fizikailag kölcsönhatásba kell lépniük ahhoz, hogy összegabalyodjanak, így az A és C detektorokhoz érkező fotonoknak nem szabad összegabalyodniuk, ha különböző fizikai forrásokból származnak. A kutatók ugyanakkor hangsúlyozták, hogy kísérletük csak akkor zárja ki azokat az elméleteket, amelyek nem használnak képzeletbeli számokat, csak akkor, ha a kvantummechanika uralkodó szabályai helyesek. A legtöbb tudós úgy véli, hogy igen, de ez egy fontos figyelmeztetés. "Az eredmény azt sugallja, hogy az univerzum matematikai leírásának lehetséges módjai valójában sokkal korlátozottabbak, mint gondoltuk volna" - mondták a szakértők.
A kutatók azt mondták, hogy kísérleti rendszerük, amely egy kezdetleges kvantumhálózat, hasznos lehet a jövőbeni kvantuminternet működési elveinek meghatározásában.
Olvassa el még: