Namišljena števila so tisto, kar dobite, če vzamete kvadratni koren negativnega števila, in se že dolgo uporabljajo v najpomembnejših enačbah kvantne mehanike, veje fizike, ki opisuje svet zelo majhnih količin. Če seštejete namišljena in realna števila, dobite kompleksna števila, ki fizikom omogočajo pisanje kvantnih enačb v preprostem jeziku. Toda vprašanje, ali kvantna teorija potrebuje te matematične himere ali pa se preprosto uporabljajo kot priročne okrajšave, je dolgo ostalo sporno.
Pravzaprav so celo sami ustanovitelji kvantne mehanike ugotovili, da so posledice uporabe kompleksnih števil v njihovih enačbah zaskrbljujoče. V pismu svojemu prijatelju Hendriku Lorentzu je fizik Erwin Schrödinger – prvi, ki je s svojo kvantno valovno funkcijo (ψ) uvedel kompleksna števila v kvantno teorijo – zapisal: »Kar je tukaj neprijetnega in čemur bi res morali neposredno ugovarjati, je uporaba kompleksnih števil številk Ψ je vsekakor prava funkcija.«
Schrödinger je našel način, kako izraziti svojo enačbo z uporabo samo realnih števil skupaj z dodatnim nizom pravil za uporabo enačbe, kasnejši fiziki pa so storili enako z drugimi deli kvantne teorije. Toda v odsotnosti prepričljivih eksperimentalnih dokazov, ki bi podprli napovedi teh "popolnoma resničnih" enačb, ostaja odprto vprašanje: ali so namišljena števila neobvezna poenostavitev ali poskus dela brez njih prikrajša kvantno teorijo za njeno sposobnost opisovanja realnosti?
Dve novi študiji, objavljeni 15. decembra v revijah Nature in Physical Review Letters, sta dokazali, da se je Schrödinger motil. Z razmeroma preprostim eksperimentom pokažejo, da so namišljena števila nujen del matematike našega vesolja, če je kvantna mehanika pravilna.
Da bi preverili, ali so kompleksna števila res vitalna, so avtorji prve študije zasnovali novo različico klasičnega kvantnega eksperimenta, znanega kot Bellov test. Ta test je prvi predlagal fizik John Bell leta 1964 kot način za dokazovanje, da kvantna teorija potrebuje kvantno prepletenost – čudno povezavo med dvema oddaljenima delcema, ki ji je Albert Einstein nasprotoval kot »strašljivo delovanje na daljavo«.
Zanimivo tudi:
- Ustvarjen je bil kvantni mikroskop, ki lahko vidi nemogoče
- Kvantna tehnologija pospešuje iskanje temne snovi
V svoji posodobljeni različici klasičnega Bellovega testa so fiziki zasnovali poskus, v katerem sta dva neodvisna vira (ki sta ju poimenovala S in R) postavila med tri detektorje (A, B in C) v elementarni kvantni mreži. Vir S nato odda dva delca svetlobe ali fotona, enega pošlje A in drugega B v zapletenem stanju. Vir R prav tako oddaja dva zapletena fotona, ki ju pošlje v vozlišča B in C. Če bi vesolje opisali s standardno kvantno mehaniko na podlagi kompleksnih števil, potem fotoni, ki pridejo do detektorjev A in C, ne bi smeli biti zapleteni, ampak v kvantni teoriji na podlagi na realnih številkah, morajo biti zmedeni.
Da bi to preizkusili, so raziskovalci druge študije izvedli poskus, v katerem so na kristal osvetlili laserske žarke. Energija, ki jo je laser posredoval nekaterim atomom kristala, se je kasneje sprostila kot zapleteni fotoni. S pogledom na stanja fotonov, ki vstopajo v tri detektorje, so raziskovalci videli, da so stanja fotonov, ki vstopajo v detektorja A in C, prepletena, kar pomeni, da je njihove podatke mogoče opisati samo s kvantno teorijo z uporabo kompleksnih števil.
Rezultat je intuitivno smiseln: fotoni morajo fizično medsebojno delovati, da se zapletejo, zato fotoni, ki pridejo do detektorjev A in C, ne smejo biti zapleteni, če so bili proizvedeni iz različnih fizičnih virov. Raziskovalci pa so poudarili, da njihov eksperiment izključuje teorije, ki ne uporabljajo namišljenih števil, le če so prevladujoča pravila kvantne mehanike pravilna. Večina znanstvenikov verjame, da je, vendar je to pomembno opozorilo. "Rezultat nakazuje, da so možni načini opisovanja vesolja z uporabo matematike pravzaprav veliko bolj omejeni, kot smo morda mislili," so povedali strokovnjaki.
Raziskovalci so povedali, da bi lahko bila njihova eksperimentalna postavitev, ki je osnovno kvantno omrežje, koristna za prepoznavanje načel, na katerih bi lahko deloval prihodnji kvantni internet.
Preberite tudi: