Matematikçiler yüzyıllar önce, belirli eğrilerin özelliklerini hesaplamanın görünüşte imkansız olanı gerektirdiğini, kendileriyle çarpıldığında negatife dönen sayıların gerekli olduğunu fark ettiklerinde rahatsız olmuşlardı.

Sayı doğrusundaki tüm sayıların karesi pozitif bir sayı verir; 2² = 4 ve (-2)² = 4. Matematikçiler bu tanıdık sayıları “gerçek” ve görünüşte imkansız olan sayıları “hayali” olarak adlandırmaya başladılar.

Birimleriyle etiketlenmiş sanal sayılar i (burada örneğin, (2i)² = -4), yavaş yavaş matematiğin soyut alanında demirbaş haline geldi. Ancak fizikçiler için gerçek sayılar gerçekliği ölçmek için yeterliydi. Bazen 2 + 3 gibi hem gerçek hem de sanal kısımlara sahip karmaşık sayılar olarak adlandırılır.i, hesaplamaları kolaylaştırdı, ancak görünüşe göre isteğe bağlı yollarla. Hiçbir cihaz şu ana kadar bir okuma değeri vermedi i.

Ancak fizikçiler hayali sayıların bir bakıma gerçek olduğunu ilk kez göstermiş olabilirler.

Bir grup kuantum teorisyeni, sonucu doğanın hayali bir tarafının olup olmadığına bağlı olan bir deney tasarladı. Kuantum mekaniğinin doğru olması koşuluyla - çok az kişinin tartışacağı bir varsayım - ekibin argümanı, karmaşık sayıların, fiziksel evrene ilişkin açıklamamızın kaçınılmaz bir parçası olduğunu garanti ediyor.

"Bu karmaşık sayılar genellikle sadece kullanışlı bir araçtır, ancak burada onların gerçekten de fiziksel bir anlamı olduğu ortaya çıktı" dedi. Tamás VértesiMacaristan Bilimler Akademisi Nükleer Araştırma Enstitüsü'nden bir fizikçi, yıllar önce bunun aksini iddia etmişti. "Dünya öyle bir durumda ki gerçekten bu karmaşık sayılara ihtiyaç duyuyor" dedi.

Kuantum mekaniğinde, bir parçacığın veya parçacık grubunun davranışı, dalga fonksiyonu veya ψ olarak bilinen dalga benzeri bir varlık tarafından kapsüllenir. Dalga fonksiyonu, bir elektronun olası konumu veya momentumu gibi ölçümlerin olası sonuçlarını tahmin eder. Schrödinger denklemi olarak adlandırılan denklem, dalga fonksiyonunun zamanla nasıl değiştiğini açıklar ve bu denklem, i.

Fizikçiler bundan ne çıkaracaklarından hiçbir zaman tam olarak emin olamadılar. Erwin Schrödinger şimdi kendi adını taşıyan denklemi türettiğinde, denklemi temizlemeyi umuyordu. i dışarı. 1926'da Hendrik Lorentz'e şöyle yazmıştı: "Burada hoş olmayan ve aslında doğrudan itiraz edilmesi gereken şey, karmaşık sayıların kullanılmasıdır."ψ kesinlikle temelde gerçek bir fonksiyondur".

Schrödinger'in arzusu matematiksel açıdan kesinlikle makuldü: Karmaşık sayıların herhangi bir özelliği, gerçek sayıların ve onları aynı hizada tutacak yeni kuralların birleşimiyle yakalanabilir, bu da kuantum mekaniğinin tamamen gerçek bir versiyonunun matematiksel olasılığının önünü açar.

Aslına bakılırsa çevirinin yeterince basit olduğu ortaya çıktı ve Schrödinger, "gerçek dalga denklemi" olduğuna inandığı şeyi neredeyse anında keşfetti. i. Lorentz'e yazdığı mektuptan bir haftadan kısa bir süre sonra Max Planck'a "Kalbimden ağır bir taş daha yuvarlandı" diye yazdı. "Her şey tam da olması gerektiği gibi çıktı."

Ancak karmaşık kuantum mekaniğini simüle etmek için gerçek sayıları kullanmak hantal ve soyut bir alıştırmadır ve Schrödinger, tamamen gerçek olan denkleminin günlük kullanım için fazla hantal olduğunu fark etti. Bir yıl içinde dalga fonksiyonlarını tıpkı bugün fizikçilerin düşündüğü gibi karmaşık olarak tanımlamaya başladı.

"İşini bitirmek isteyen herkes karmaşık tanımı kullanır" dedi Matthew McKagueAvustralya'daki Queensland Teknoloji Üniversitesi'nde kuantum bilgisayar bilimcisi.

Ancak kuantum mekaniğinin gerçek formülasyonu, karmaşık versiyonun yalnızca isteğe bağlı olduğunun kanıtı olarak kaldı. Örneğin Vértesi ve McKague'nin de aralarında bulunduğu takımlar 2008 ve 2009 bu - olmadan i Bell testi olarak bilinen ünlü kuantum fiziği deneyinin sonucunu mükemmel bir şekilde tahmin edebiliyorlardı.

Yeni araştırma, Ocak ayında bilimsel ön baskı sunucusu arxiv.org'da yayınlandı, daha önceki Bell testi önerilerinin kuantum fiziğinin gerçek sayı versiyonunu kırmaya yetmediğini buldu. Karmaşık sayılar talep ediyor gibi görünen daha karmaşık bir Bell deneyi öneriyor.

Yazarlar, daha önceki araştırmaların, insanları "kuantum teorisinde karmaşık sayıların yalnızca kullanışlı olduğu ancak gerekli olmadığı" sonucuna varmasına yol açtığını yazdı. Marc-Olivier Renou İspanya'daki Fotonik Bilimler Enstitüsü'nden ve Nicolas gisin Cenevre Üniversitesi'nden. "Burada bu sonucun yanlış olduğunu kanıtlıyoruz."

Grup, makaleleri hâlâ hakem değerlendirmesinde olduğu için makalelerini kamuya açık olarak tartışmayı reddetti.

Bell testi, birbirinden uzak parçacık çiftlerinin tek bir "dolaşık" durumda bilgi paylaşabildiğini göstermektedir. Örneğin, Maine'deki bir çeyreklik Oregon'daki bir çeyrekliğe dolanabiliyorsa, tekrarlanan atışlar, bir paranın tura geldiğinde uzaktaki ortağının tuhaf bir şekilde yazı gösterdiğini gösterecekti. Benzer şekilde standart Bell testi deneyinde dolaşık parçacıklar Alice ve Bob lakaplı iki fizikçiye gönderilir. Parçacıkları ölçüyorlar ve ölçümleri karşılaştırdıktan sonra, parçacıklar arasında bilgi paylaşılmadıkça sonuçların açıklanamayacak bir şekilde ilişkili olduğunu buluyorlar.

Yükseltilmiş deney, ikinci bir parçacık çifti kaynağı ekler. Bir çift Alice ve Bob'a gider. Farklı bir yerden gelen ikinci çift Bob'a ve üçüncü bir kişi olan Charlie'ye gidiyor. Karmaşık sayılara sahip kuantum mekaniğinde Alice ve Charlie'nin aldığı parçacıkların birbirine dolaşması gerekmez.

Ancak hiçbir gerçek sayı açıklaması, üç fizikçinin ölçeceği korelasyon modelini kopyalayamaz. Yeni makale, sistemi gerçekmiş gibi ele almanın, genellikle dalga fonksiyonunun sanal kısmında bulunan ekstra bilgilerin eklenmesini gerektirdiğini gösteriyor. Alice'in, Bob'un ve Charlie'nin parçacıklarının hepsinin, standart kuantum mekaniğiyle aynı korelasyonları yeniden üretebilmesi için bu bilgiyi paylaşması gerekir. Ve bu paylaşıma uyum sağlamanın tek yolu, tüm parçacıkların birbirine dolaşık olmasıdır.

Bell testinin önceki enkarnasyonlarında Alice ve Bob'un elektronları tek bir kaynaktan geliyordu, dolayısıyla gerçek sayı tanımında taşımaları gereken ekstra bilgi sorun değildi. Ancak Alice ve Charlie'nin parçacıklarının bağımsız kaynaklardan geldiği iki kaynaklı Bell testinde, hayali üç partili dolaşıklığın fiziksel bir anlamı yok.

Yeni makalenin hayal ettiği deneyi gerçekleştirmek için bir Alice, bir Bob ve bir Charlie'yi görevlendirmeden bile çoğu araştırmacı, standart kuantum mekaniğinin doğru olduğundan ve bu nedenle deneyin beklenen korelasyonları bulacağından son derece emindir. Eğer öyleyse, gerçek sayılar tek başına doğayı tam olarak tanımlayamaz.

"Bu makale aslında gerçek, karmaşık kuantum sistemlerinin var olduğunu ortaya koyuyor" dedi Valter Morettiİtalya'daki Trento Üniversitesi'nde matematiksel fizikçi. "Bu sonuç benim için oldukça beklenmedik."

Yine de deneyin bir gün gerçekleşmesi ihtimali var. Basit olmayacak ama hiçbir teknik engel yok. Ve daha karmaşık kuantum ağlarının davranışına ilişkin daha derin bir anlayış, araştırmacıların ortaya çıkan sayısız Alice, Bob ve Charlie'yi birbirine bağlamaya devam etmesiyle daha da anlamlı hale gelecektir. kuantum internetleri.

Yazarlar, "Bu nedenle, gerçek kuantum fiziğinin çürütüleceğinin yakın gelecekte ortaya çıkacağına inanıyoruz" diye yazdı.