Bilangan imajiner adalah apa yang Anda dapatkan ketika Anda mengambil akar kuadrat dari bilangan negatif, dan bilangan tersebut telah lama digunakan dalam persamaan terpenting mekanika kuantum, cabang fisika yang menjelaskan dunia kuantitas yang sangat kecil. Jika Anda menjumlahkan bilangan imajiner dan real, Anda mendapatkan bilangan kompleks yang memungkinkan fisikawan menulis persamaan kuantum dalam bahasa sederhana. Tetapi pertanyaan apakah teori kuantum membutuhkan chimera matematis ini atau apakah mereka hanya digunakan sebagai singkatan yang nyaman telah lama tetap kontroversial.
Faktanya, bahkan para pendiri mekanika kuantum sendiri menemukan konsekuensi penggunaan bilangan kompleks dalam persamaan mereka sebagai masalah. Dalam sepucuk surat kepada temannya Hendrik Lorentz, fisikawan Erwin Schrödinger – orang pertama yang memperkenalkan bilangan kompleks ke dalam teori kuantum dengan fungsi gelombang kuantumnya (ψ) – menulis: “Apa yang tidak menyenangkan di sini, dan apa yang sebenarnya harus ditolak secara langsung, adalah penggunaan bilangan kompleks bilangan tentu saja merupakan fungsi nyata.”
Schrödinger memang menemukan cara untuk mengekspresikan persamaannya hanya dengan menggunakan bilangan real bersama dengan seperangkat aturan tambahan untuk menggunakan persamaan tersebut, dan kemudian fisikawan melakukan hal yang sama dengan bagian lain dari teori kuantum. Tetapi dengan tidak adanya bukti eksperimental yang meyakinkan untuk mendukung prediksi persamaan "benar-benar nyata" ini, pertanyaannya tetap terbuka: apakah bilangan imajiner merupakan penyederhanaan opsional, atau apakah mencoba bekerja tanpanya menghilangkan kemampuan teori kuantum untuk menggambarkan realitas?
Dua studi baru, yang diterbitkan pada 15 Desember di jurnal Nature and Physical Review Letters, membuktikan bahwa Schrödinger salah. Melalui eksperimen yang relatif sederhana, mereka menunjukkan bahwa jika mekanika kuantum benar, bilangan imajiner adalah bagian penting dari matematika alam semesta kita.
Untuk menguji apakah bilangan kompleks benar-benar vital, penulis studi pertama merancang versi baru dari eksperimen kuantum klasik yang dikenal sebagai uji Bell. Tes ini pertama kali diusulkan oleh fisikawan John Bell pada tahun 1964 sebagai cara untuk membuktikan bahwa belitan kuantum – hubungan aneh antara dua partikel jauh yang ditolak Albert Einstein sebagai “aksi seram di kejauhan” – dibutuhkan oleh teori kuantum.
Juga menarik:
- Mikroskop kuantum yang mampu melihat hal yang mustahil telah diciptakan
- Teknologi kuantum mempercepat pencarian materi gelap
Dalam versi terbaru dari uji Bell klasik, fisikawan merancang eksperimen di mana dua sumber independen (yang mereka sebut S dan R) ditempatkan di antara tiga detektor (A, B, dan C) dalam jaringan kuantum dasar. Sumber S kemudian memancarkan dua partikel cahaya, atau foton, satu dikirim ke A dan yang lainnya ke B dalam keadaan terjerat. Sumber R juga memancarkan dua foton terjerat, mengirimkannya ke node B dan C. Jika alam semesta dijelaskan oleh mekanika kuantum standar berdasarkan bilangan kompleks, maka foton yang tiba di detektor A dan C tidak boleh terjerat, tetapi dalam teori kuantum, berdasarkan pada bilangan real, mereka pasti membingungkan.
Untuk menguji ini, para peneliti dari studi kedua melakukan percobaan di mana mereka menyorotkan sinar laser pada kristal. Energi yang diberikan laser ke beberapa atom kristal kemudian dilepaskan sebagai foton terjerat. Dengan melihat keadaan foton yang memasuki ketiga detektor, para peneliti melihat bahwa keadaan foton yang memasuki detektor A dan C terjerat, artinya data mereka hanya dapat dijelaskan dengan teori kuantum menggunakan bilangan kompleks.
Hasilnya masuk akal secara intuitif: foton harus berinteraksi secara fisik untuk menjadi terjerat, sehingga foton yang tiba di detektor A dan C tidak boleh terjerat jika dihasilkan oleh sumber fisik yang berbeda. Namun, para peneliti menekankan bahwa eksperimen mereka mengesampingkan teori yang tidak menggunakan bilangan imajiner, hanya jika aturan mekanika kuantum yang berlaku benar. Sebagian besar ilmuwan mempercayainya, tetapi ini adalah peringatan penting. "Hasilnya menunjukkan bahwa cara yang mungkin untuk menggambarkan alam semesta menggunakan matematika sebenarnya jauh lebih terbatas daripada yang kita duga," kata para ahli.
Para peneliti mengatakan bahwa pengaturan eksperimental mereka, yang merupakan jaringan kuantum dasar, dapat berguna untuk mengidentifikasi prinsip-prinsip di mana internet kuantum masa depan mungkin bekerja.
Baca juga: