Įsivaizduojami skaičiai yra tie, kuriuos gaunate paėmę neigiamo skaičiaus kvadratinę šaknį, ir jie jau seniai naudojami svarbiausiose kvantinės mechanikos lygtyse – fizikos šakoje, kuri apibūdina labai mažų kiekių pasaulį. Jei sudėsite įsivaizduojamus ir realius skaičius, gausite sudėtingus skaičius, kurie leidžia fizikai rašyti kvantines lygtis paprasta kalba. Tačiau klausimas, ar kvantinei teorijai reikia šių matematinių chimerų, ar jos tiesiog naudojamos kaip patogios santrumpos, ilgai išliko prieštaringas.
Tiesą sakant, net patys kvantinės mechanikos įkūrėjai manė, kad sudėtingų skaičių naudojimo jų lygtyse pasekmės kelia nerimą. Laiške savo draugui Hendrikui Lorentzui fizikas Erwinas Schrödingeris – pirmasis žmogus, kuris savo kvantinės bangos funkcija (ψ) įtraukė sudėtingus skaičius į kvantinę teoriją – rašė: „Kas čia nemalonu ir kam iš tikrųjų reikėtų tiesiogiai prieštarauti, yra kompleksinių skaičių skaičių naudojimas Ψ tikrai yra tikra funkcija.
Schrödingeris tikrai rado būdą išreikšti savo lygtį naudodamas tik realius skaičius ir papildomą lygties naudojimo taisyklių rinkinį, o vėliau fizikai padarė tą patį su kitomis kvantinės teorijos dalimis. Tačiau nesant įtikinamų eksperimentinių įrodymų, patvirtinančių šių „visiškai realių“ lygčių prognozes, klausimas lieka atviras: ar įsivaizduojami skaičiai yra neprivalomas supaprastinimas, ar bandymas dirbti be jų atima iš kvantinės teorijos galimybę apibūdinti tikrovę?
Du nauji tyrimai, paskelbti gruodžio 15 d. žurnaluose „Nature“ ir „Physical Review Letters“, įrodė, kad Schrödingeris klydo. Palyginti paprastu eksperimentu jie parodo, kad jei kvantinė mechanika yra teisinga, įsivaizduojami skaičiai yra būtina mūsų visatos matematikos dalis.
Norėdami patikrinti, ar kompleksiniai skaičiai iš tikrųjų yra gyvybiškai svarbūs, pirmojo tyrimo autoriai sukūrė naują klasikinio kvantinio eksperimento, žinomo kaip Bell testas, versiją. Šį testą 1964 m. pirmą kartą pasiūlė fizikas Johnas Bellas, kaip būdą įrodyti, kad kvantinė teorija reikalinga kvantiniam susipainiojimui – keistam dviejų nutolusių dalelių ryšiui, kuriam Albertas Einšteinas prieštaravo kaip „baisus veiksmas per atstumą“.
Taip pat įdomu:
- Sukurtas kvantinis mikroskopas, galintis pamatyti neįmanomą
- Kvantinė technologija pagreitina tamsiosios medžiagos paiešką
Savo atnaujintoje klasikinio Bell testo versijoje fizikai sukūrė eksperimentą, kurio metu du nepriklausomi šaltiniai (kuriuos jie vadino S ir R) buvo patalpinti tarp trijų detektorių (A, B ir C) elementariame kvantiniame tinkle. Tada šaltinis S skleidžia dvi šviesos daleles arba fotonus, kurių viena siunčiama į A, o kita į B. Šaltinis R taip pat išspinduliuoja du įsipainiojusius fotonus, siųsdamas juos į mazgus B ir C. Jei visata būtų aprašyta standartine kvantine mechanika, pagrįsta kompleksiniais skaičiais, tai fotonai, patenkantys į detektorius A ir C, turėtų būti ne įsipainioję, o kvantinė teorija, pagrįsta. Tikrieji skaičiai turi būti painūs.
Norėdami tai patikrinti, antrojo tyrimo mokslininkai atliko eksperimentą, kurio metu jie apšvietė lazerio spindulius į kristalą. Energija, kurią lazeris perdavė kai kuriems kristalo atomams, vėliau buvo išleista kaip įsipainioję fotonai. Žvelgdami į fotonų, patenkančių į tris detektorius, būsenas, tyrėjai pastebėjo, kad į detektorius A ir C patenkančių fotonų būsenos buvo susipainiojusios, o tai reiškia, kad jų duomenis galima aprašyti tik kvantine teorija naudojant kompleksinius skaičius.
Rezultatas turi intuityvią prasmę: fotonai turi fiziškai sąveikauti, kad įsipainiotų, todėl fotonai, patenkantys į detektorius A ir C, neturi būti įsipainioję, jei juos sukūrė skirtingi fiziniai šaltiniai. Tačiau mokslininkai pabrėžė, kad jų eksperimentas atmeta teorijas, kuriose nenaudojami įsivaizduojami skaičiai, tik tuo atveju, jei vyraujančios kvantinės mechanikos taisyklės yra teisingos. Dauguma mokslininkų mano, kad taip yra, tačiau tai yra svarbus įspėjimas. „Rezultatas rodo, kad galimi būdai apibūdinti visatą naudojant matematiką iš tikrųjų yra daug ribotesni, nei galėjome manyti“, – sakė ekspertai.
Tyrėjai teigė, kad jų eksperimentinė sąranka, kuri yra pradinis kvantinis tinklas, gali būti naudinga nustatant principus, kuriais remiantis gali veikti būsimas kvantinis internetas.
Taip pat skaitykite: