Iedomāti skaitļi ir tie, ko iegūstat, pieņemot kvadrātsakni no negatīva skaitļa, un tie jau sen ir izmantoti svarīgākajos kvantu mehānikas vienādojumos, fizikas nozarē, kas apraksta ļoti mazu daudzumu pasauli. Ja jūs saskaitāt iedomātus un reālos skaitļus, jūs iegūstat kompleksus skaitļus, kas ļauj fiziķiem uzrakstīt kvantu vienādojumus vienkāršā valodā. Taču jautājums par to, vai kvantu teorijai ir vajadzīgas šīs matemātiskās himēras, vai arī tās vienkārši izmanto kā ērtus saīsinājumus, jau sen ir bijis strīdīgs.
Patiesībā pat paši kvantu mehānikas dibinātāji uzskatīja, ka sarežģīto skaitļu izmantošanas sekas savos vienādojumos ir satraucošas. Vēstulē savam draugam Hendrikam Lorencam fiziķis Ervins Šrēdingers – pirmais cilvēks, kurš ar savu kvantu viļņu funkciju (ψ) ieviesa kvantu teorijā kompleksos skaitļus – rakstīja: “Kas šeit ir nepatīkams un pret ko tiešām vajadzētu tieši iebilst, ir komplekso skaitļu skaitļu izmantošana Ψ noteikti ir reāla funkcija.
Šrēdingers atrada veidu, kā izteikt savu vienādojumu, izmantojot tikai reālos skaitļus, kā arī papildu noteikumu kopumu vienādojuma izmantošanai, un vēlāk fiziķi darīja to pašu ar citām kvantu teorijas daļām. Bet, tā kā nav pārliecinošu eksperimentālu pierādījumu, kas pamatotu šo "pilnīgi reālo" vienādojumu prognozes, jautājums paliek atklāts: vai iedomātie skaitļi ir neobligāts vienkāršojums, vai arī mēģinājums strādāt bez tiem atņem kvantu teorijai spēju aprakstīt realitāti?
Divi jauni pētījumi, kas publicēti 15. decembrī žurnālos Nature un Physical Review Letters, pierādīja, ka Šrēdingers ir kļūdījies. Ar salīdzinoši vienkāršu eksperimentu viņi parāda, ka, ja kvantu mehānika ir pareiza, iedomātie skaitļi ir nepieciešama mūsu Visuma matemātikas sastāvdaļa.
Lai pārbaudītu, vai kompleksie skaitļi patiešām ir ļoti svarīgi, pirmā pētījuma autori izstrādāja jaunu klasiskā kvantu eksperimenta versiju, kas pazīstama kā Bell tests. Šo testu 1964. gadā pirmo reizi ierosināja fiziķis Džons Bells, lai pierādītu, ka kvantu teorijai ir nepieciešama kvantu sapīšanās – dīvainā saikne starp divām attālām daļiņām, pret kuru Alberts Einšteins iebilda kā pret “baiļojošu darbību no attāluma”.
Interesanti arī:
- Ir izveidots kvantu mikroskops, kas spēj saskatīt neiespējamo
- Kvantu tehnoloģija paātrina tumšās vielas meklēšanu
Atjauninātajā klasiskā Bela testa versijā fiziķi izstrādāja eksperimentu, kurā divi neatkarīgi avoti (kurus viņi sauca par S un R) tika novietoti starp trim detektoriem (A, B un C) elementārā kvantu tīklā. Pēc tam avots S izstaro divas gaismas daļiņas jeb fotonus, no kuriem viena tiek nosūtīta uz A, bet otra uz B sapinušies. Avots R arī izstaro divus sapinušos fotonus, nosūtot tos uz mezgliem B un C. Ja Visumu apraksta standarta kvantu mehānika, pamatojoties uz kompleksajiem skaitļiem, tad fotonus, kas nonāk pie detektoriem A un C, nevajadzētu sapīties, bet gan kvantu teorijā, pamatojoties uz attiecībā uz reāliem skaitļiem tie noteikti ir mulsinoši.
Lai to pārbaudītu, otrā pētījuma pētnieki veica eksperimentu, kurā viņi spīdināja lāzera starus uz kristāla. Enerģija, ko lāzers piešķīra dažiem kristāla atomiem, vēlāk tika atbrīvota kā sapinušies fotoni. Aplūkojot trīs detektoros ienākošo fotonu stāvokļus, pētnieki redzēja, ka detektoros A un C ienākošo fotonu stāvokļi ir sapinušies, kas nozīmē, ka to datus var aprakstīt tikai kvantu teorijā, izmantojot kompleksos skaitļus.
Rezultātam ir intuitīva jēga: fotoniem ir fiziski jāsadarbojas, lai tie sapītos, tāpēc fotoni, kas nonāk pie detektoriem A un C, nedrīkst sapīties, ja tos radījuši dažādi fiziski avoti. Pētnieki tomēr uzsvēra, ka viņu eksperiments izslēdz teorijas, kurās netiek izmantoti iedomāti skaitļi, tikai tad, ja dominējošie kvantu mehānikas noteikumi ir pareizi. Lielākā daļa zinātnieku uzskata, ka tā ir, taču tas ir svarīgs brīdinājums. "Rezultāts liecina, ka iespējamie veidi, kā aprakstīt Visumu, izmantojot matemātiku, patiesībā ir daudz ierobežotāki, nekā mēs varētu iedomāties," sacīja eksperti.
Pētnieki teica, ka viņu eksperimentālā iestatīšana, kas ir rudimentārs kvantu tīkls, varētu būt noderīga, lai noteiktu principus, uz kuriem varētu darboties nākotnes kvantu internets.
Lasi arī: