Imaginárne čísla sú to, čo dostanete, keď zoberiete druhú odmocninu zo záporného čísla, a už dlho sa používajú v najdôležitejších rovniciach kvantovej mechaniky, odvetvia fyziky, ktoré opisuje svet veľmi malých veličín. Ak spočítate imaginárne a reálne čísla, dostanete komplexné čísla, ktoré fyzikom umožňujú písať kvantové rovnice v jednoduchom jazyku. Ale otázka, či kvantová teória potrebuje tieto matematické chiméry, alebo či sa jednoducho používajú ako vhodné skratky, zostala dlho kontroverzná.
V skutočnosti dokonca aj samotní zakladatelia kvantovej mechaniky považovali dôsledky používania komplexných čísel vo svojich rovniciach za znepokojujúce. Fyzik Erwin Schrödinger – prvý človek, ktorý zaviedol komplexné čísla do kvantovej teórie pomocou svojej kvantovej vlnovej funkcie (ψ) svojmu priateľovi Hendrikovi Lorentzovi, v liste svojmu priateľovi Hendrikovi Lorentzovi napísal: „Čo je tu nepríjemné a proti čomu treba skutočne priamo namietať, je použitie komplexných čísel Ψ je určite skutočná funkcia."
Schrödinger našiel spôsob, ako vyjadriť svoju rovnicu iba pomocou reálnych čísel spolu s dodatočným súborom pravidiel na používanie rovnice, a neskorší fyzici urobili to isté s inými časťami kvantovej teórie. Ale pri absencii presvedčivých experimentálnych dôkazov na podporu predpovedí týchto „úplne reálnych“ rovníc zostáva otázka otvorená: sú imaginárne čísla voliteľným zjednodušením, alebo pokus o prácu bez nich zbavuje kvantovú teóriu jej schopnosti popísať realitu?
Dve nové štúdie, publikované 15. decembra v časopisoch Nature a Physical Review Letters, dokázali, že Schrödinger sa mýlil. Relatívne jednoduchým experimentom ukazujú, že ak je kvantová mechanika správna, imaginárne čísla sú nevyhnutnou súčasťou matematiky nášho vesmíru.
Na testovanie, či sú komplexné čísla skutočne životne dôležité, autori prvej štúdie navrhli novú verziu klasického kvantového experimentu známeho ako Bellov test. Tento test bol prvýkrát navrhnutý fyzikom Johnom Bellom v roku 1964 ako spôsob, ako dokázať, že kvantová teória potrebovala kvantové zapletenie – zvláštne spojenie medzi dvoma vzdialenými časticami, ktoré Albert Einstein namietal ako „strašidelné pôsobenie na diaľku“.
Tiež zaujímavé:
- Bol vytvorený kvantový mikroskop schopný vidieť nemožné
- Kvantová technológia urýchľuje hľadanie tmavej hmoty
Vo svojej aktualizovanej verzii klasického Bellovho testu fyzici vymysleli experiment, v ktorom boli dva nezávislé zdroje (ktoré nazvali S a R) umiestnené medzi tri detektory (A, B a C) v elementárnej kvantovej sieti. Zdroj S potom vyžaruje dve častice svetla alebo fotóny, jednu vyslanú do A a druhú do B v zapletenom stave. Zdroj R tiež vyžaruje dva zapletené fotóny a posiela ich do uzlov B a C. Ak by bol vesmír opísaný štandardnou kvantovou mechanikou založenou na komplexných číslach, potom by fotóny prichádzajúce do detektorov A a C nemali byť zapletené, ale v kvantovej teórii založenej na na reálnych číslach, musia byť mätúce.
Aby to otestovali, výskumníci z druhej štúdie vykonali experiment, v ktorom svietili laserovými lúčmi na kryštál. Energia, ktorú laser odovzdal niektorým atómom kryštálu, sa neskôr uvoľnila ako zapletené fotóny. Pri pohľade na stavy fotónov vstupujúcich do troch detektorov výskumníci zistili, že stavy fotónov vstupujúcich do detektorov A a C boli zapletené, čo znamená, že ich údaje bolo možné opísať iba kvantovou teóriou pomocou komplexných čísel.
Výsledok dáva intuitívny zmysel: fotóny musia fyzicky interagovať, aby sa zaplietli, takže fotóny prichádzajúce do detektorov A a C nesmú byť zapletené, ak boli produkované rôznymi fyzickými zdrojmi. Výskumníci však zdôraznili, že ich experiment vylučuje teórie, ktoré nepoužívajú imaginárne čísla, iba ak sú prevládajúce pravidlá kvantovej mechaniky správne. Väčšina vedcov sa domnieva, že áno, ale toto je dôležité upozornenie. "Výsledok naznačuje, že možné spôsoby, ako opísať vesmír pomocou matematiky, sú v skutočnosti oveľa obmedzenejšie, než sme si mysleli," uviedli odborníci.
Výskumníci uviedli, že ich experimentálne nastavenie, čo je základná kvantová sieť, by mohlo byť užitočné na identifikáciu princípov, na ktorých by mohol budúci kvantový internet fungovať.
Prečítajte si tiež: