新研究发现描述现实可能需要虚数
只要标准量子理论站得住脚，虚数就是至关重要的。
（图解：贝尔实验基于量子纠缠，为了测试虚数在描述现实中的重要性，研究人员采用了升级版的贝尔实验。 图源：尤里克·皮特）
两项最新研究表明，虚数对于准确描述现实不可或缺。
对负数开平方就会得到虚数。量子力学是描述小小世界的物理学分支，而长久以来，虚数都被用于最重要的量子力学公式当中。虚数与实数相加产生复数，有了复数，物理学家才能简洁明了地写出量子等式。量子理论必须使用这种数学嵌合体吗？还是说，后者只是研究前者的捷径？这一点一直备受争议。
事实上，即便是量子力学创建者们也认为包含复数的公式令人不安。提出了量子力学波函数ψ（普赛）并将复数引入量子理论的第一人——物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schr dinger）在给友人亨德里克·洛伦兹（Hendrik Lorentz）的信中写道：“采用复数令人不悦，应该直接反对这种做法。ψ（普赛）本质上就是个实数函数。”
（图源： 费多罗夫·奥列克西）
薛定谔的确找到了仅用实数表达其等式的方法，辅以一系列描述等式用法的附加条件。此后的物理学家对量子理论的其他部分也做了实数化。但是，由于缺乏确凿的实验证据，物理学家很难判断这些“全实数”等式的预测正确与否，于是问题遗留了下来：虚数仅仅是一个简化选项吗？量子理论离了它就无法描述现实吗？
《自然（Nature）》和《物理评论快报（Physical Review Letters）》于12月15日刊登的两篇研究证实薛定谔在这一点上是错误的。他们通过一个相对简单的实验表明，如果量子力学是正确的，虚数就是我们宇宙数学必不可缺的一部分。
（图解：薛定谔方程描述了原子和亚原子物体的量子力学行为。 图源：詹姆斯·塔特尔·基恩/加州理工学院）
“量子力学的早期创立者没能找到任何一种方法表述该理论中出现的复数，”来自西班牙光子科学研究所的论文第一作者马克-奥利维尔·雷诺（Marc-Olivier Renou）在给《生活科学（Live Science）》的一封邮件中写道，“使用它们（复数）的效果非常好，但是没有明确的方式从任何现实元素中找到复数。”
（图源：安东·别利茨基/Getty）
为了测试复数是否真的至关重要，第一篇文章的作者对经典量子实验贝尔测试进行了改造。这项测试最先由物理学家约翰·贝尔（John Bell）于1964年设计出来，用以证明量子纠缠——爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”的两个远距离粒子之间奇怪的关联现象——是量子理论所必需的。
在改造后的测试中，物理学家设计了一个实验，在初级量子网络里，把两个独立的源（S与R）放置于三个探测器（A，B和C）之间。源S将放出两个纠缠态的轻粒子或者说光量子，分别发往探测器A和探测器B。源R也会放出两个纠缠光子，分别发往节点B和节点C。如果宇宙可以被标准量子力学基于复数描述出来，那么抵达探测器A和探测器C的光子就不一定是纠缠的；反之，如果采用基于实数的量子理论，它们就应当是纠缠的。
（图解：量子纠缠 图源：格拉斯哥大学)
第二项研究的研究人员进行了另一个实验，他们将激光束照射到晶体上，激光传递给晶体的部分原子的能量随后以纠缠光子的形式释放出来。通过观察抵达三个监视器的光子的状态，研究人员发现抵达监视器A和监视器C的光子不是纠缠的，这意味着实验数据只能由采用复数的量子理论来描述。
实验结果很直观：光子需要在物理层面上相互作用以发生纠缠，因此当不同物理源分别产生了抵达探测器A和探测器C的光子，它们就不应发生纠缠。研究人员强调：即便如此，仅仅当主流量子力学惯例正确无误，他们的实验才能推翻弃用复数的理论。大多数科学家都对主流量子力学惯例的正确性坚信不疑，但这仍然是一条重要的警告。
（图源：Shutterstock）
雷诺认为，实验结果表示用数学方法描述宇宙也许远比我们想象的要严格得多。
“仅仅靠观察一些实验产生的结果，我们就能排除许多潜在的描述，而无需考虑实验中用到的物理设备的可靠性。”雷诺说。这意味着将来物理学家可能只要完成基于基本原则的一小部分实验，就可以获得一套完整的量子理论。
此外，研究人员还表示，他们的实验装置是一个基本的量子网络，可能有助于勾勒未来量子网络赖以运作的原理。
BY: Ben Turner
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参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3.原文来自：https://www.space.com/imaginary-numbers-needed-to-describe-reality
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