Imaginære tall er det du får når du tar kvadratroten av et negativt tall, og de har lenge vært brukt i kvantemekanikkens viktigste likninger, grenen av fysikken som beskriver verden av svært små mengder. Legger du sammen imaginære og reelle tall får du komplekse tall som gjør at fysikere kan skrive kvanteligninger i klarspråk. Men spørsmålet om kvanteteorien trenger disse matematiske kimærene eller om de bare brukes som praktiske forkortelser har lenge vært kontroversielt.
Faktisk fant til og med grunnleggerne av kvantemekanikken selv konsekvensene av å bruke komplekse tall i ligningene sine som urovekkende. I et brev til sin venn Hendrik Lorentz skrev fysikeren Erwin Schrödinger – den første personen som introduserte komplekse tall i kvanteteorien med sin kvantebølgefunksjon (ψ) –: «Hva er ubehagelig her, og hva bør man egentlig protestere direkte mot, er bruken av komplekse tall Ψ er absolutt en reell funksjon."
Schrödinger fant en måte å uttrykke sin ligning ved å bruke bare reelle tall sammen med et ekstra sett med regler for bruk av ligningen, og senere fysikere gjorde det samme med andre deler av kvanteteorien. Men i mangel av overbevisende eksperimentelle bevis for å støtte spådommene til disse "helt ekte" ligningene, forblir spørsmålet åpent: er imaginære tall en valgfri forenkling, eller fratar det å prøve å jobbe uten dem kvanteteoriens evne til å beskrive virkeligheten?
To nye studier, publisert 15. desember i tidsskriftene Nature og Physical Review Letters, viste at Schrödinger tok feil. Gjennom et relativt enkelt eksperiment viser de at hvis kvantemekanikken er riktig, er imaginære tall en nødvendig del av matematikken i universet vårt.
For å teste om komplekse tall virkelig er avgjørende, utviklet forfatterne av den første studien en ny versjon av et klassisk kvanteeksperiment kjent som Bell-testen. Denne testen ble først foreslått av fysikeren John Bell i 1964 som en måte å bevise at kvanteforviklinger - den merkelige forbindelsen mellom to fjerne partikler som Albert Einstein protesterte mot som "skummel handling på avstand" - var nødvendig av kvanteteorien.
Også interessant:
- Et kvantemikroskop som er i stand til å se det umulige er laget
- Kvanteteknologi akselererer søket etter mørk materie
I sin oppdaterte versjon av den klassiske Bell-testen utviklet fysikerne et eksperiment der to uavhengige kilder (som de kalte S og R) ble plassert mellom tre detektorer (A, B og C) i et elementært kvantenettverk. Kilden S sender deretter ut to partikler av lys, eller fotoner, en sendt til A og den andre til B i en sammenfiltret tilstand. Kilde R sender også ut to sammenfiltrede fotoner, og sender dem til nodene B og C. Hvis universet ble beskrevet av standard kvantemekanikk basert på komplekse tall, så burde ikke fotonene som ankommer detektor A og C være sammenfiltret, men i kvanteteori, basert på på reelle tall må de være forvirrende.
For å teste dette gjennomførte forskerne i den andre studien et eksperiment der de lyste laserstråler på en krystall. Energien som laseren ga noen av krystallens atomer ble senere frigjort som sammenfiltrede fotoner. Ved å se på tilstandene til fotonene som kom inn i de tre detektorene, så forskerne at tilstandene til fotonene som kom inn i detektorene A og C var sammenfiltret, noe som betyr at dataene deres bare kunne beskrives ved kvanteteori ved bruk av komplekse tall.
Resultatet gir intuitiv mening: fotoner må fysisk samhandle for å bli viklet inn, så fotonene som ankommer detektor A og C må ikke vikles inn hvis de ble produsert av forskjellige fysiske kilder. Forskerne understreket imidlertid at eksperimentet deres utelukker teorier som ikke bruker imaginære tall, bare hvis de rådende reglene for kvantemekanikk er korrekte. De fleste forskere tror det er det, men dette er et viktig forbehold. "Resultatet tyder på at de mulige måtene å beskrive universet ved hjelp av matematikk faktisk er mye mer begrenset enn vi kanskje hadde trodd," sa ekspertene.
Forskerne sa at deres eksperimentelle oppsett, som er et rudimentært kvantenettverk, kan være nyttig for å identifisere prinsippene som fremtidens kvanteinternett kan fungere på.
Les også: