Các số tưởng tượng là những gì bạn nhận được khi lấy căn bậc hai của một số âm và chúng từ lâu đã được sử dụng trong các phương trình quan trọng nhất của cơ học lượng tử, ngành vật lý mô tả thế giới của những số lượng rất nhỏ. Nếu bạn cộng các số thực và ảo, bạn sẽ có được các số phức cho phép các nhà vật lý viết các phương trình lượng tử bằng ngôn ngữ đơn giản. Nhưng câu hỏi liệu lý thuyết lượng tử có cần những chimeras toán học này không hay liệu chúng có được sử dụng đơn giản như những chữ viết tắt tiện lợi hay không từ lâu vẫn còn gây tranh cãi.
Trên thực tế, ngay cả những người sáng lập ra cơ học lượng tử cũng nhận thấy hậu quả của việc sử dụng số phức trong các phương trình của họ là đáng lo ngại. Trong một lá thư gửi cho người bạn Hendrik Lorentz, nhà vật lý Erwin Schrödinger - người đầu tiên đưa số phức vào lý thuyết lượng tử với hàm sóng lượng tử (ψ) - đã viết: “Điều gì khó chịu ở đây, và điều gì thực sự nên bị phản đối trực tiếp, là việc sử dụng các số phức Ψ chắc chắn là một hàm thực. ”
Schrödinger đã tìm ra cách để biểu diễn phương trình của mình bằng cách chỉ sử dụng các số thực cùng với một bộ quy tắc bổ sung để sử dụng phương trình, và các nhà vật lý sau này cũng làm như vậy với các phần khác của lý thuyết lượng tử. Nhưng trong trường hợp không có bằng chứng thực nghiệm thuyết phục để hỗ trợ các dự đoán của những phương trình "hoàn toàn có thật" này, câu hỏi vẫn còn bỏ ngỏ: các số tưởng tượng có phải là một sự đơn giản hóa tùy chọn, hay việc cố gắng làm việc mà không có chúng làm mất đi khả năng mô tả thực tế của lý thuyết lượng tử?
Hai nghiên cứu mới, được công bố vào ngày 15 tháng trên tạp chí Nature and Physical Review Letters, đã chứng minh Schrödinger đã sai. Thông qua một thí nghiệm tương đối đơn giản, họ cho thấy rằng nếu cơ học lượng tử là chính xác, các con số tưởng tượng là một phần cần thiết của toán học trong vũ trụ của chúng ta.
Để kiểm tra xem các số phức có thực sự quan trọng hay không, các tác giả của nghiên cứu đầu tiên đã nghĩ ra một phiên bản mới của thí nghiệm lượng tử cổ điển được gọi là thử nghiệm Bell. Thử nghiệm này lần đầu tiên được đề xuất bởi nhà vật lý John Bell vào năm 1964 như một cách để chứng minh rằng sự vướng víu lượng tử - mối liên hệ kỳ lạ giữa hai hạt ở xa mà Albert Einstein phản đối là “hành động ma quái ở khoảng cách xa” - là cần thiết của lý thuyết lượng tử.
Cũng thú vị:
- Một kính hiển vi lượng tử có khả năng nhìn thấy điều không thể đã được tạo ra
- Công nghệ lượng tử tăng tốc tìm kiếm vật chất tối
Trong phiên bản cập nhật của thử nghiệm Bell cổ điển, các nhà vật lý đã nghĩ ra một thử nghiệm trong đó hai nguồn độc lập (mà họ gọi là S và R) được đặt giữa ba máy dò (A, B và C) trong một mạng lượng tử cơ bản. Sau đó, nguồn S phát ra hai hạt ánh sáng, hoặc photon, một hạt gửi tới A và hạt kia tới B ở trạng thái vướng víu. Nguồn R cũng phát ra hai photon vướng víu, gửi chúng đến các nút B và C. Nếu vũ trụ được mô tả bằng cơ học lượng tử tiêu chuẩn dựa trên các số phức, thì các photon đến các máy dò A và C sẽ không bị vướng víu, nhưng theo lý thuyết lượng tử, trên các số thực, chúng phải gây nhầm lẫn.
Để kiểm tra điều này, các nhà nghiên cứu của nghiên cứu thứ hai đã tiến hành một thí nghiệm trong đó họ chiếu chùm tia laze vào một tinh thể. Năng lượng mà laser truyền cho một số nguyên tử của tinh thể sau đó được giải phóng dưới dạng các photon vướng víu. Bằng cách xem xét trạng thái của các photon đi vào ba máy dò, các nhà nghiên cứu thấy rằng trạng thái của các photon đi vào máy dò A và C bị vướng vào nhau, có nghĩa là dữ liệu của chúng chỉ có thể được mô tả bằng lý thuyết lượng tử sử dụng số phức.
Kết quả có ý nghĩa trực quan: các photon phải tương tác vật lý để trở nên vướng víu, vì vậy các photon đến máy dò A và C không được vướng víu nếu chúng được tạo ra bởi các nguồn vật lý khác nhau. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng thí nghiệm của họ loại bỏ các lý thuyết không sử dụng các con số tưởng tượng, chỉ khi các quy tắc phổ biến của cơ học lượng tử là đúng. Hầu hết các nhà khoa học đều tin là có, nhưng đây là một cảnh báo quan trọng. Các chuyên gia cho biết: “Kết quả cho thấy rằng các cách có thể để mô tả vũ trụ bằng toán học thực sự hạn chế hơn nhiều so với những gì chúng ta có thể nghĩ”.
Các nhà nghiên cứu nói rằng thiết lập thử nghiệm của họ, một mạng lượng tử thô sơ, có thể hữu ích để xác định các nguyên tắc mà internet lượng tử trong tương lai có thể hoạt động.
Đọc thêm: