新研究發(fā)現(xiàn)描述現(xiàn)實可能需要虛數(shù)

只要標準量子理論站得住腳，虛數(shù)就是至關重要的。

（圖解：貝爾實驗基于量子糾纏，為了測試虛數(shù)在描述現(xiàn)實中的重要性，研究人員采用了升級版的貝爾實驗。 圖源：尤里克·皮特）

兩項最新研究表明，虛數(shù)對于準確描述現(xiàn)實不可或缺。

對負數(shù)開平方就會得到虛數(shù)。量子力學是描述小小世界的物理學分支，而長久以來，虛數(shù)都被用于最重要的量子力學公式當中。虛數(shù)與實數(shù)相加產生復數(shù)，有了復數(shù)，物理學家才能簡潔明了地寫出量子等式。量子理論必須使用這種數(shù)學嵌合體嗎？還是說，后者只是研究前者的捷徑？這一點一直備受爭議。

事實上，即便是量子力學創(chuàng)建者們也認為包含復數(shù)的公式令人不安。提出了量子力學波函數(shù)ψ（普賽）并將復數(shù)引入量子理論的第一人——物理學家埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）在給友人亨德里克·洛倫茲（Hendrik Lorentz）的信中寫道：“采用復數(shù)令人不悅，應該直接反對這種做法。ψ（普賽）本質上就是個實數(shù)函數(shù)?！?/p>

（圖源： 費多羅夫·奧列克西）

薛定諤的確找到了僅用實數(shù)表達其等式的方法，輔以一系列描述等式用法的附加條件。此后的物理學家對量子理論的其他部分也做了實數(shù)化。但是，由于缺乏確鑿的實驗證據，物理學家很難判斷這些“全實數(shù)”等式的預測正確與否，于是問題遺留了下來：虛數(shù)僅僅是一個簡化選項嗎？量子理論離了它就無法描述現(xiàn)實嗎？

《自然（Nature）》和《物理評論快報（Physical Review Letters）》于12月15日刊登的兩篇研究證實薛定諤在這一點上是錯誤的。他們通過一個相對簡單的實驗表明，如果量子力學是正確的，虛數(shù)就是我們宇宙數(shù)學必不可缺的一部分。

（圖解：薛定諤方程描述了原子和亞原子物體的量子力學行為。 圖源：詹姆斯·塔特爾·基恩/加州理工學院）

“量子力學的早期創(chuàng)立者沒能找到任何一種方法表述該理論中出現(xiàn)的復數(shù)，”來自西班牙光子科學研究所的論文第一作者馬克-奧利維爾·雷諾（Marc-Olivier Renou）在給《生活科學（Live Science）》的一封郵件中寫道，“使用它們（復數(shù)）的效果非常好，但是沒有明確的方式從任何現(xiàn)實元素中找到復數(shù)?！?/p>

（圖源：安東·別利茨基/Getty）

為了測試復數(shù)是否真的至關重要，第一篇文章的作者對經典量子實驗貝爾測試進行了改造。這項測試最先由物理學家約翰·貝爾（John Bell）于1964年設計出來，用以證明量子糾纏——愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”的兩個遠距離粒子之間奇怪的關聯(lián)現(xiàn)象——是量子理論所必需的。

在改造后的測試中，物理學家設計了一個實驗，在初級量子網絡里，把兩個獨立的源（S與R）放置于三個探測器（A，B和C）之間。源S將放出兩個糾纏態(tài)的輕粒子或者說光量子，分別發(fā)往探測器A和探測器B。源R也會放出兩個糾纏光子，分別發(fā)往節(jié)點B和節(jié)點C。如果宇宙可以被標準量子力學基于復數(shù)描述出來，那么抵達探測器A和探測器C的光子就不一定是糾纏的；反之，如果采用基于實數(shù)的量子理論，它們就應當是糾纏的。

（圖解：量子糾纏 圖源：格拉斯哥大學)

第二項研究的研究人員進行了另一個實驗，他們將激光束照射到晶體上，激光傳遞給晶體的部分原子的能量隨后以糾纏光子的形式釋放出來。通過觀察抵達三個監(jiān)視器的光子的狀態(tài)，研究人員發(fā)現(xiàn)抵達監(jiān)視器A和監(jiān)視器C的光子不是糾纏的，這意味著實驗數(shù)據只能由采用復數(shù)的量子理論來描述。

實驗結果很直觀：光子需要在物理層面上相互作用以發(fā)生糾纏，因此當不同物理源分別產生了抵達探測器A和探測器C的光子，它們就不應發(fā)生糾纏。研究人員強調：即便如此，僅僅當主流量子力學慣例正確無誤，他們的實驗才能推翻棄用復數(shù)的理論。大多數(shù)科學家都對主流量子力學慣例的正確性堅信不疑，但這仍然是一條重要的警告。

（圖源：Shutterstock）

雷諾認為，實驗結果表示用數(shù)學方法描述宇宙也許遠比我們想象的要嚴格得多。

“僅僅靠觀察一些實驗產生的結果，我們就能排除許多潛在的描述，而無需考慮實驗中用到的物理設備的可靠性?！崩字Z說。這意味著將來物理學家可能只要完成基于基本原則的一小部分實驗，就可以獲得一套完整的量子理論。

此外，研究人員還表示，他們的實驗裝置是一個基本的量子網絡，可能有助于勾勒未來量子網絡賴以運作的原理。

BY: Ben Turner

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參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3.原文來自：https://www.space.com/imaginary-numbers-needed-to-describe-reality

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