Numerele imaginare sunt ceea ce obții atunci când iei rădăcina pătrată a unui număr negativ și au fost folosite de mult timp în cele mai importante ecuații ale mecanicii cuantice, ramura fizicii care descrie lumea cantităților foarte mici. Dacă adunăm numere imaginare și reale, obțineți numere complexe care permit fizicienilor să scrie ecuații cuantice într-un limbaj simplu. Dar întrebarea dacă teoria cuantică are nevoie de aceste himere matematice sau dacă ele sunt pur și simplu folosite ca abrevieri convenabile a rămas mult timp controversată.
De fapt, chiar și fondatorii mecanicii cuantice au considerat că consecințele utilizării numerelor complexe în ecuațiile lor sunt îngrijorătoare. Într-o scrisoare către prietenul său Hendrik Lorentz, fizicianul Erwin Schrödinger – prima persoană care a introdus numerele complexe în teoria cuantică cu funcția sa de undă cuantică (ψ) – a scris: „Ce este neplăcut aici și la ce ar trebui obiectat în mod direct, este utilizarea numerelor complexe numere Ψ este cu siguranță o funcție reală.”
Schrödinger a găsit o modalitate de a-și exprima ecuația folosind numai numere reale, împreună cu un set suplimentar de reguli pentru utilizarea ecuației, iar fizicienii de mai târziu au făcut același lucru cu alte părți ale teoriei cuantice. Dar în lipsa unor dovezi experimentale convingătoare care să susțină predicțiile acestor ecuații „complet reale”, întrebarea rămâne deschisă: numerele imaginare sunt o simplificare opțională sau încercarea de a funcționa fără ele privează teoria cuantică de capacitatea sa de a descrie realitatea?
Două noi studii, publicate pe 15 decembrie în revistele Nature și Physical Review Letters, au dovedit că Schrödinger se înșeală. Printr-un experiment relativ simplu, ei arată că, dacă mecanica cuantică este corectă, numerele imaginare sunt o parte necesară a matematicii universului nostru.
Pentru a testa dacă numerele complexe sunt cu adevărat vitale, autorii primului studiu au conceput o nouă versiune a unui experiment cuantic clasic cunoscut sub numele de testul Bell. Acest test a fost propus pentru prima dată de către fizicianul John Bell în 1964 ca o modalitate de a demonstra că teoria cuantică avea nevoie de întricarea cuantică – conexiune ciudată dintre două particule îndepărtate, despre care Albert Einstein a obiectat ca „acțiune înfricoșătoare la distanță”.
Interesant de asemenea:
- A fost creat un microscop cuantic capabil să vadă imposibilul
- Tehnologia cuantică accelerează căutarea materiei întunecate
În versiunea lor actualizată a testului clasic Bell, fizicienii au conceput un experiment în care două surse independente (pe care le-au numit S și R) au fost plasate între trei detectoare (A, B și C) într-o rețea cuantică elementară. Sursa S emite apoi două particule de lumină, sau fotoni, unul trimis către A și celălalt către B într-o stare încurcată. Sursa R emite, de asemenea, doi fotoni încâlciți, trimițându-i la nodurile B și C. Dacă universul ar fi descris de mecanica cuantică standard pe baza unor numere complexe, atunci fotonii care ajung la detectoarele A și C nu ar trebui să fie încurcați, ci în teoria cuantică, bazată pe pe numere reale, trebuie să fie confuze.
Pentru a testa acest lucru, cercetătorii celui de-al doilea studiu au efectuat un experiment în care au strălucit raze laser pe un cristal. Energia pe care laserul a transmis-o unora dintre atomii cristalului a fost mai târziu eliberată ca fotoni încâlciți. Privind stările fotonilor care intră în cele trei detectoare, cercetătorii au văzut că stările fotonilor care intră în detectoarele A și C erau încurcate, ceea ce înseamnă că datele lor puteau fi descrise doar prin teoria cuantică folosind numere complexe.
Rezultatul are sens intuitiv: fotonii trebuie să interacționeze fizic pentru a se încurca, astfel încât fotonii care ajung la detectoarele A și C nu trebuie să fie încurși dacă au fost produși de surse fizice diferite. Cercetătorii au subliniat, totuși, că experimentul lor exclude teoriile care nu folosesc numere imaginare, doar dacă regulile dominante ale mecanicii cuantice sunt corecte. Majoritatea oamenilor de știință cred că este, dar aceasta este o avertizare importantă. „Rezultatul sugerează că posibilele modalități de a descrie universul folosind matematica sunt de fapt mult mai limitate decât am fi crezut”, au spus experții.
Cercetătorii au spus că configurația lor experimentală, care este o rețea cuantică rudimentară, ar putea fi utilă pentru identificarea principiilor pe care ar putea funcționa viitorul internet cuantic.
Citeste si: