新研究發現描述現實可能需要虛數
隻要标準量子理論站得住腳，虛數就是至關重要的。
（圖解：貝爾實驗基于量子糾纏，為了測試虛數在描述現實中的重要性，研究人員采用了更新版的貝爾實驗。 圖源：尤裡克·皮特）
兩項最新研究表明，虛數對于準确描述現實不可或缺。
對負數開平方就會得到虛數。量子力學是描述小小世界的實體學分支，而長久以來，虛數都被用于最重要的量子力學公式當中。虛數與實數相加産生複數，有了複數，實體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學嵌合體嗎？還是說，後者隻是研究前者的捷徑？這一點一直備受争議。
事實上，即便是量子力學建立者們也認為包含複數的公式令人不安。提出了量子力學波函數ψ（普賽）并将複數引入量子理論的第一人——實體學家埃爾溫·薛定谔（Erwin Schr dinger）在給友人亨德裡克·洛倫茲（Hendrik Lorentz）的信中寫道：“采用複數令人不悅，應該直接反對這種做法。ψ（普賽）本質上就是個實數函數。”
（圖源： 費多羅夫·奧列克西）
薛定谔的确找到了僅用實數表達其等式的方法，輔以一系列描述等式用法的附加條件。此後的實體學家對量子理論的其他部分也做了實數化。但是，由于缺乏确鑿的實驗證據，實體學家很難判斷這些“全實數”等式的預測正确與否，于是問題遺留了下來：虛數僅僅是一個簡化選項嗎？量子理論離了它就無法描述現實嗎？
《自然（Nature）》和《實體評論快報（Physical Review Letters）》于12月15日刊登的兩篇研究證明薛定谔在這一點上是錯誤的。他們通過一個相對簡單的實驗表明，如果量子力學是正确的，虛數就是我們宇宙數學必不可缺的一部分。
（圖解：薛定谔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）
“量子力學的早期創立者沒能找到任何一種方法表述該理論中出現的複數，”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（複數）的效果非常好，但是沒有明确的方式從任何現實元素中找到複數。”
（圖源：安東·别利茨基/Getty）
為了測試複數是否真的至關重要，第一篇文章的作者對經典量子實驗貝爾測試進行了改造。這項測試最先由實體學家約翰·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現象——是量子理論所必需的。
在改造後的測試中，實體學家設計了一個實驗，在初級量子網絡裡，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将放出兩個糾纏态的輕粒子或者說光量子，分别發往探測器A和探測器B。源R也會放出兩個糾纏光子，分别發往節點B和節點C。如果宇宙可以被标準量子力學基于複數描述出來，那麼抵達探測器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，他們将雷射束照射到晶體上，雷射傳遞給晶體的部分原子的能量随後以糾纏光子的形式釋放出來。通過觀察抵達三個螢幕的光子的狀态，研究人員發現抵達螢幕A和螢幕C的光子不是糾纏的，這意味着實驗資料隻能由采用複數的量子理論來描述。
實驗結果很直覺：光子需要在實體層面上互相作用以發生糾纏，是以當不同實體源分别産生了抵達探測器A和探測器C的光子，它們就不應發生糾纏。研究人員強調：即便如此，僅僅當主流量子力學慣例正确無誤，他們的實驗才能推翻棄用複數的理論。大多數科學家都對主流量子力學慣例的正确性堅信不疑，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産生的結果，我們就能排除許多潛在的描述，而無需考慮實驗中用到的實體裝置的可靠性。”雷諾說。這意味着将來實體學家可能隻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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