ตัวเลขจินตภาพคือสิ่งที่คุณได้รับเมื่อคุณหารากที่สองของจำนวนลบ และพวกมันถูกใช้มานานแล้วในสมการที่สำคัญที่สุดของกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งเป็นสาขาของฟิสิกส์ที่อธิบายโลกของปริมาณที่น้อยมาก หากคุณบวกจำนวนจินตภาพและจำนวนจริง คุณจะได้จำนวนเชิงซ้อนที่อนุญาตให้นักฟิสิกส์เขียนสมการควอนตัมในภาษาธรรมดาได้ แต่คำถามที่ว่าทฤษฎีควอนตัมต้องการความเพ้อฝันทางคณิตศาสตร์เหล่านี้หรือว่าพวกมันถูกใช้เป็นตัวย่อที่สะดวกหรือไม่นั้นยังคงเป็นที่ถกเถียงกันมานาน
อันที่จริง แม้แต่ผู้ก่อตั้งกลศาสตร์ควอนตัมเองก็พบว่าผลที่ตามมาของการใช้จำนวนเชิงซ้อนในสมการนั้นน่าหนักใจ ในจดหมายที่ส่งถึงเพื่อนของเขา Hendrik Lorentz นักฟิสิกส์ Erwin Schrödinger ซึ่งเป็นบุคคลแรกที่นำจำนวนเชิงซ้อนเข้าสู่ทฤษฎีควอนตัมด้วยฟังก์ชันคลื่นควอนตัม (ψ) ของเขา เขียนว่า: "สิ่งที่ไม่น่าพอใจในที่นี้ และสิ่งที่ควรปฏิเสธโดยตรงก็คือ คือ การใช้จำนวนเชิงซ้อน Ψ เป็นฟังก์ชันที่แท้จริงอย่างแน่นอน”
ชโรดิงเงอร์พบวิธีแสดงสมการโดยใช้เฉพาะตัวเลขจริงพร้อมกับชุดกฎเพิ่มเติมสำหรับการใช้สมการ และต่อมานักฟิสิกส์ก็ทำเช่นเดียวกันกับส่วนอื่นๆ ของทฤษฎีควอนตัม แต่หากไม่มีหลักฐานการทดลองที่น่าเชื่อถือเพื่อสนับสนุนการคาดคะเนสมการ "ของจริงทั้งหมด" เหล่านี้ คำถามยังคงเปิดอยู่: ตัวเลขจินตภาพเป็นการลดความซับซ้อนที่เป็นทางเลือก หรือพยายามทำงานโดยปราศจากการกีดกันทฤษฎีควอนตัมของความสามารถในการอธิบายความเป็นจริงหรือไม่
การศึกษาใหม่สองชิ้นซึ่งตีพิมพ์เมื่อวันที่ 15 ธันวาคมในวารสาร Nature and Physical Review Letters ได้พิสูจน์ว่าชโรดิงเงอร์คิดผิด จากการทดลองที่ค่อนข้างง่าย พวกเขาแสดงให้เห็นว่าถ้ากลศาสตร์ควอนตัมถูกต้อง ตัวเลขจินตภาพเป็นส่วนที่จำเป็นของคณิตศาสตร์ในจักรวาลของเรา
เพื่อทดสอบว่าจำนวนเชิงซ้อนมีความสำคัญจริง ๆ หรือไม่ ผู้เขียนของการศึกษาครั้งแรกได้คิดค้นเวอร์ชันใหม่ของการทดลองควอนตัมคลาสสิกที่เรียกว่าการทดสอบเบลล์ การทดสอบนี้เสนอครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์ John Bell ในปี 1964 เพื่อพิสูจน์ว่าควอนตัมพัวพัน – ความเชื่อมโยงที่แปลกประหลาดระหว่างอนุภาคที่อยู่ห่างไกลสองอนุภาคที่ Albert Einstein คัดค้านว่าเป็น "การกระทำที่น่ากลัวในระยะไกล" – เป็นสิ่งจำเป็นโดยทฤษฎีควอนตัม
ที่น่าสนใจเช่นกัน:
- กล้องจุลทรรศน์ควอนตัมที่มองเห็นสิ่งที่เป็นไปไม่ได้ได้ถูกสร้างขึ้นแล้ว
- เทคโนโลยีควอนตัมเร่งการค้นหาสสารมืด
ในเวอร์ชันปรับปรุงของการทดสอบ Bell แบบคลาสสิก นักฟิสิกส์ได้คิดค้นการทดลองโดยวางแหล่งข้อมูลอิสระสองแหล่ง (ซึ่งเรียกว่า S และ R) ระหว่างเครื่องตรวจจับสามตัว (A, B และ C) ในเครือข่ายควอนตัมเบื้องต้น จากนั้นแหล่งกำเนิด S จะปล่อยแสงหรือโฟตอนสองอนุภาค อนุภาคหนึ่งส่งไปยัง A และอีกอนุภาคหนึ่งส่งไปยัง B ในสถานะพัวพัน แหล่ง R ยังปล่อยโฟตอนที่พันกันสองตัว ส่งไปยังโหนด B และ C หากจักรวาลถูกอธิบายโดยกลศาสตร์ควอนตัมมาตรฐานตามจำนวนเชิงซ้อน โฟตอนที่มาถึงเครื่องตรวจจับ A และ C ไม่ควรพันกัน แต่ในทฤษฎีควอนตัม สำหรับจำนวนจริง พวกเขาจะต้องสับสน
เพื่อทดสอบสิ่งนี้ นักวิจัยของการศึกษาครั้งที่สองได้ทำการทดลองโดยฉายแสงเลเซอร์บนคริสตัล พลังงานที่เลเซอร์ส่งไปยังอะตอมของคริสตัลบางส่วนถูกปล่อยออกมาในเวลาต่อมาเป็นโฟตอนที่พันกัน เมื่อดูที่สถานะของโฟตอนที่เข้าสู่เครื่องตรวจจับทั้งสาม นักวิจัยพบว่าสถานะของโฟตอนที่เข้าสู่เครื่องตรวจจับ A และ C นั้นพันกัน ซึ่งหมายความว่าข้อมูลของพวกมันสามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีควอนตัมโดยใช้จำนวนเชิงซ้อนเท่านั้น
ผลลัพธ์นั้นสมเหตุสมผลโดยสัญชาตญาณ: โฟตอนต้องมีปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพจึงจะพันกันได้ ดังนั้นโฟตอนที่มาถึงเครื่องตรวจจับ A และ C จะต้องไม่ถูกพันกันหากพวกมันถูกผลิตขึ้นโดยแหล่งทางกายภาพที่แตกต่างกัน อย่างไรก็ตาม นักวิจัยเน้นย้ำว่าการทดลองของพวกเขาตัดทฤษฎีที่ไม่ใช้จำนวนจินตภาพออกไป ต่อเมื่อกฎกลศาสตร์ควอนตัมที่มีอยู่ทั่วไปถูกต้อง นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่เชื่อว่าเป็นเช่นนั้น แต่นี่เป็นข้อแม้ที่สำคัญ "ผลการวิจัยชี้ให้เห็นว่าวิธีที่เป็นไปได้ในการอธิบายจักรวาลโดยใช้คณิตศาสตร์นั้นจริง ๆ แล้วมีข้อ จำกัด มากกว่าที่เราคิดไว้มาก" ผู้เชี่ยวชาญกล่าว
นักวิจัยกล่าวว่าการตั้งค่าการทดลองของพวกเขาซึ่งเป็นเครือข่ายควอนตัมพื้นฐานอาจเป็นประโยชน์ในการระบุหลักการที่อินเทอร์เน็ตควอนตัมในอนาคตอาจใช้งานได้
อ่าน: