Hayali sayılar, negatif bir sayının karekökünü aldığınızda elde ettiğiniz şeydir ve uzun süredir kuantum mekaniğinin en önemli denklemlerinde, çok küçük miktarlar dünyasını tanımlayan fizik dalı kullanılmaktadır. Hayali ve gerçek sayıları toplarsanız, fizikçilerin kuantum denklemlerini sade bir dille yazmasına izin veren karmaşık sayılar elde edersiniz. Ancak kuantum teorisinin bu matematiksel kimeralara ihtiyaç duyup duymadığı veya bunların sadece uygun kısaltmalar olarak kullanılıp kullanılmadığı sorusu uzun süredir tartışmalı olarak kaldı.
Aslında, kuantum mekaniğinin kurucuları bile denklemlerinde karmaşık sayılar kullanmanın sonuçlarını rahatsız edici buldular. Kuantum dalga fonksiyonu (ψ) ile karmaşık sayıları kuantum teorisine sokan ilk kişi olan fizikçi Erwin Schrödinger, arkadaşı Hendrik Lorentz'e yazdığı bir mektupta şunları yazdı: “Burada hoş olmayan ve gerçekten doğrudan itiraz edilmesi gereken şey, karmaşık sayıların kullanımıdır Ψ kesinlikle gerçek bir fonksiyondur.”
Schrödinger denklemini sadece gerçek sayıları ve denklemi kullanmak için ek bir dizi kural kullanarak ifade etmenin bir yolunu buldu ve daha sonra fizikçiler aynı şeyi kuantum teorisinin diğer bölümleriyle yaptı. Ancak bu "tamamen gerçek" denklemlerin tahminlerini destekleyecek ikna edici deneysel kanıtların yokluğunda, soru açık kalıyor: hayali sayılar isteğe bağlı bir basitleştirme midir, yoksa onlarsız çalışmaya çalışmak kuantum teorisini gerçekliği tanımlama yeteneğinden mahrum mu bırakır?
15 Aralık'ta Nature ve Physical Review Letters dergilerinde yayınlanan iki yeni çalışma, Schrödinger'in yanıldığını kanıtladı. Nispeten basit bir deneyle, kuantum mekaniği doğruysa, hayali sayıların evrenimizin matematiğinin gerekli bir parçası olduğunu gösteriyorlar.
Karmaşık sayıların gerçekten hayati olup olmadığını test etmek için, ilk çalışmanın yazarları, Bell testi olarak bilinen klasik bir kuantum deneyinin yeni bir versiyonunu tasarladılar. Bu test ilk olarak 1964 yılında fizikçi John Bell tarafından kuantum dolaşıklığına - Albert Einstein'ın "uzaktan ürkütücü eylem" olarak itiraz ettiği iki uzak parçacık arasındaki garip bağlantıya - kuantum teorisinin ihtiyaç duyduğunu kanıtlamanın bir yolu olarak önerildi.
Ayrıca ilginç:
- İmkansızı görebilen bir kuantum mikroskobu oluşturuldu
- Kuantum teknolojisi, karanlık madde arayışını hızlandırıyor
Klasik Bell testinin güncellenmiş versiyonunda fizikçiler, temel bir kuantum ağındaki üç dedektör (A, B ve C) arasına iki bağımsız kaynağın (S ve R olarak adlandırdıkları) yerleştirildiği bir deney tasarladılar. S kaynağı daha sonra, biri A'ya, diğeri B'ye dolaşık halde gönderilen iki ışık parçacığı veya foton yayar. Kaynak R ayrıca iki dolaşık foton yayar ve onları B ve C düğümlerine gönderir. Evren, karmaşık sayılara dayalı standart kuantum mekaniği ile tanımlansaydı, o zaman A ve C dedektörlerine gelen fotonlar dolanık olmamalı, kuantum teorisine dayalı olmalıdır. gerçek sayılarda, kafa karıştırıcı olmalılar.
Bunu test etmek için, ikinci çalışmanın araştırmacıları, bir kristal üzerinde lazer ışınları parlattıkları bir deney yaptılar. Lazerin kristalin bazı atomlarına verdiği enerji daha sonra dolaşmış fotonlar olarak serbest bırakıldı. Araştırmacılar, üç dedektöre giren fotonların durumlarına bakarak, A ve C dedektörlerine giren fotonların durumlarının dolanık olduğunu gördüler; bu, verilerinin yalnızca karmaşık sayılar kullanılarak kuantum teorisi ile açıklanabileceği anlamına geliyor.
Sonuç sezgisel olarak mantıklıdır: fotonlar dolanık hale gelmek için fiziksel olarak etkileşime girmelidir, bu nedenle A ve C dedektörlerine gelen fotonlar, farklı fiziksel kaynaklar tarafından üretilmişlerse dolaşmamalıdır. Ancak araştırmacılar, ancak kuantum mekaniğinin geçerli kuralları doğruysa, deneylerinin hayali sayıları kullanmayan teorileri dışladığını vurguladılar. Çoğu bilim insanı öyle olduğuna inanıyor, ancak bu önemli bir uyarı. Uzmanlar, "Sonuç, evreni matematik kullanarak tanımlamanın olası yollarının aslında düşündüğümüzden çok daha sınırlı olduğunu gösteriyor" dedi.
Araştırmacılar, ilkel bir kuantum ağı olan deneysel kurulumlarının, gelecekteki kuantum internetin üzerinde çalışabileceği ilkeleri belirlemek için faydalı olabileceğini söylediler.
Ayrıca okuyun: