مطالعات جدید نشان می دهند که امکان دارد برای توصیف واقعیت به اعداد موهومی نیاز باشد

🔹دو مطالعۀ جدید نشان داده اند اعداد موهومی برای توصیف دقیق واقعیت الزامی هستند. اعداد موهومی همان چیزی هستند که وقتی از اعداد منفی جذر می گیرید بدست می آورید که و مدتهاست که در مهم ترین معادلات مکانیک کوانتومی، شاخه ای از فیزیک که جهان بسیار کوچک را توصیف می کند استفاده می شود. زمانیکه اعداد موهومی و حقیقی را با هم جمع می کنید، اعداد مختلط را بدست می آورید که فیزیکدانان را قادر می سازد معادلات مکانیک کوانتوم را بصورت ساده بنویسند. اما اینکه آیا این نظریه به این اعداد نیاز دارد یا فقط از آن ها به عنوان ساده سازی معادلات استفاده می کند، مدت ها بحث برانگیز بوده است.
🔹در واقع حتی بنیانگذاران نظریۀ کوانتومی نیز فکر می کردند پیامد داشتن اعداد مختلط در معادلات آنها نگران کننده است. اروین شرودینگر در نامه ای به دوستش هندریک لورنتس، می نویسد: "آنچه در اینجا ناخوشایند است و باید به آن اعتراض کرد این است که از اعداد مختلط استفاده شده است."
🔹شرودینگر روش هایی برای بیان معادله اش با اعداد حقیقی، همراه با مجموعه ای از قوانین اضافی برای نحوۀ استفاده از معادلات پیدا کرد و فیزیکدانان بعدی همین کار را با بخش های دیگر نظریۀ کوانتومی انجام دادند. اما در غیاب شواهد تجربی برای پیش بینی های این معادلات که عاری از اعداد مختلط بودند، یک سوال مطرح شده است:"آیا استفاده از اعداد مختلط صرفا تلاشی برای ساده سازی معادلات است یا تلاش برای کار کردن بدون آنها، توانایی نظریۀ کوانتومی را برای توصیف واقعیت از بین می برد؟"
🔹اکنون دو مقاله که در 15 دسامبر در مجلات Nature و Physical Review Letters منتشر شده اند، اشتباه شرودینگر را ثابت کرده اند. آنها با آزمایشی نسبتا ساده نشان داده اند که اگر مکانیک کوانتومی درست باشد، اعداد موهومی بخشی ضروری از ریاضیات جهان ما هستند.
مارک اولیویر رنو، نویسندۀ اصلی، فیزیکدان نظری در موسسۀ علوم فتونیک در اسپانیا، در ایمیلی به LiveScience می نویسد: "بنیانگذاران اولیۀ نظریۀ کوانتومی نتوانستند راهی برای تفسیر اعداد مختلط ظاهر شده در این نظریه بیابند. داشتن آنها [اعداد مختلط] بسیار کاربردی بود، اما هیچ راه روشنی برای شناسایی اعداد مختلط با عنصر واقعیت وجود نداشت."
🔹نویسندگان اولیه، برای توضیح اینکه اعداد مختلط نقش حیاتی در نظریه دارند یا نه آزمایش بل را ابداع کردند. این آزمایش برای اولین بار در سال 1964 توسط جان بل برای اثبات این موضوع پیشنهاد شد که در همتنیدگی کوانتومی—ارتباط عجیب بین دو ذرۀ دور از هم که اینشتین با آن مخالفت می کرد—برای نظریۀ کوانتومی مورد نیاز است.
🔹در نسخۀ بروز شده از آزمایش بل، فیزیکدانان آزمایشی ابداع کردند که در آن دو منبع مستقل(که S و R نامیده می شوند) بین سه آشکار ساز ذرۀ (A،B و C) قرار می گیرند. منبع S دو ذرۀ نور یا فوتون را—یکی به A و دیگری به B—در حالت درهمتنیده ساطع می کند. منبع R نیز دو فوتون درهمتنیده را به B و C ساطع می کند. اگر جهان با مکانیک کوانتومی استاندارد براساس اعداد مختلط توصیف می شد، فوتون هایی که به آشکارساز های B و C می رسند، نیازی به درهمتنیدگی نداشتند، اما در یک نظریۀ کوانتومی مبتنی بر اعداد حقیقی، آنها این کار را انجام می دهند.
🔹در مطالعۀ دوم، محققین آزمایشی را ابداع کردند که در آن برتو لیزر را به یک کریستال تاباندند. انرژی داده شده توسط لیزر به برخی از اتم های کریستال بعدا به صورت فوتون های درهمتنیده آزاد شد. با نگاهی به حالات فوتون هایی که به سه آشکارساز متفاوت می رسند، محققان دریافتند که حالت های فوتون هایی که به آشکارساز های A و C می رسند، درهمتنیده نیستند، به این معنی که داده های آن هارا می توان تنها با یک نظریۀ کوانتومی که از اعداد مختلط استفاده می کند توصیف کرد.
🔹فوتون ها برای درهمتنیدگی نیاز به تعامل فیزیکی دارند. بنابراین آنهایی که به آشکارساز های A و C می رسند، اگر توسط منبع فیزیکی متفاوت تولید می شوند، نباید درهمتنیده باشند. با این حال، محققان تاکید کردند که آزمایش آن ها تنها در صورتی نظریه های کوانتومی را که از اعداد مختلط چشمپوشی می کنند رد می کند که قرارداد های حاکم در مکانیک کوانتومی درست باشد.
🔹به گفتۀ رنو نتیجه نشان می دهد که روش های ممکن برای توصیف جهان با ریاضیات، بسیار محدودتر از آن چیزی است که فکر می کردیم.

🆔 @PhyMathAsso_SUT