知识源于沉淀 物理学家通过构建理论来描述自然。在表达物理理论时，他们会用到方程、积分、导数等数学对象。在漫长的历史中，随着物理理论的不断发展，物理学家也用更复杂的数学概念来描述更复杂的物理现象。20世纪初，量子力学中出现了一个特殊的数学对象——虚数，用来描述分子、原子、亚原子粒子等微观粒子，这是一个重大的变革。
虚数I定义为-1的平方根，它经常出现在方程中，作为一种工具，使计算更加方便和容易。几个世纪前，数学家发明了由虚部和实部组成的复数，笛卡尔创造了“虚数”一词，使其与“实数”形成鲜明对比。
在数学中，“虚实结合”的复数起着重要的作用，它的虚部就像动物世界中的独角兽和精灵——神奇而有趣，但与现实无关。科学家不期望它在物理学中扮演同样重要的角色。
的确，我们在现实世界中可以测量的一切都是用实数来描述的，即使在奇怪的量子物理学中也是如此——即使虚数在描述物质的本质时似乎不可或缺，但所有可能的量子测量仍然会产生实数。这就给物理学家带来了一个困惑:虚数对于量子物理来说是必不可少的吗？
现在，基于同一理论的两个新实验表明，遵循量子物理定律的理论确实需要虚数来描述现实世界。
在量子理论诞生之前，牛顿力学或者麦克斯韦电磁学都是用实数来描述物体如何运动，电磁场如何传播。虽然这些理论有时使用复数来简化计算，但它们的公理仍然只使用实数。
量子论的出现从根本上颠覆了这种情况，因为它的构造假设是用复数表示的。在早期，量子理论中的复数更多地被视为数学上的便利，而不是基本成分。量子理论中复数的应用也让许多物理学家感到不安，包括量子力学的创始人之一埃尔温·薛定谔。为了描述电子，薛定谔成为将复数引入量子理论方程的第一人。但是他不认为他方程中的虚数在物理层面上是必要的。
此后，一些物理学家试图只用实数构建量子理论，并使用所谓的“实量子力学”来避免虚部。但问题是，物理学家一直无法用实验来验证这些“真正的量子力学”理论。所以，虚数在量子论中是否有必要的问题依然存在。
今年1月，维也纳量子光学和量子信息研究所的物理学家在预印网站arXiv上提交了一篇论文。在这篇论文中，他们提出了验证“真实量子力学”理论的实验方案。
这个实验计划是受Bell测试的启发，可以用来测试量子性质是由定域隐变量决定的(即粒子的性质在测量之前已经确定)还是由非定域量子纠缠引起的(即非定域代表超光速传播)。它涉及一个发射两个纠缠粒子(比如光子)的量子源S。一个粒子发送给爱丽丝，另一个发送给鲍勃。
维也纳的物理学家想将这个想法扩展到测试“真正的量子力学”。在新的设计中，他们设置了一个涉及两个独立量子源(S和R)的场景，这两个量子源将向三个不同的人发送成对的纠缠粒子——爱丽丝、鲍勃和查理(A、B、C)。这里的“纠缠粒子”是指这两个粒子以量子理论(复数和实数的共存)允许但经典理论不可能的方式相互关联。
更具体地说，实验要求源S分别向爱丽丝和鲍勃发送两个粒子(比如光子)。爱丽丝收到光子后可以测量粒子；源R也是这么做的，只不过它给鲍勃和查理发送了两个纠缠的光子，查理也可以像爱丽丝一样测量接收到的光子。收到两个光子的鲍勃将进行一种特殊类型的测量。
一个没有虚数的“实量子论”会预测出与标准量子物理理论不同的结果，这样实验就能分辨出哪个理论是正确的。实验的关键是找到合适的方法来测量爱丽丝、鲍勃和查理的四个光子，难点在于如何用现有的技术实现这个思想实验。
现在，这篇最初提交给arXiv的论文已经正式发表在《自然》杂志上。中国的两个研究团队利用先进的仪器和实验设置，证明了如果两个量子假说都抛弃虚数部分，只使用实数，将会导致不同的预测结果。
一组科学家用光子进行了这项实验。通过对比爱丽丝、查理和鲍勃在多次测量中得到的结果，他们发现这些数据只能用复数的量子理论来描述。另一组物理学家，基于同样的概念，用量子计算机进行实验，得出了同样的结论:量子物理需要复数。这两项实验将于近期发表在《物理评论快报》上。
但也有物理学家指出，新结果并没有完全排除所有绕过虚数的实理论，只是排除了一些基于实数的量子论。尽管有这种声音，但许多物理学家认为新发现是了不起的，这些有趣和发人深省的研究将为物理学家提供更好的工具，以更好地理解量子理论。
#创意团队:
正文:小雨
#参考来源:
https://www.icfo.eu/newsroom/news/article/5232
https://www . science news . org/article/quantum-physics-imaginary-numbers-math-reality
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04160-4
https://journals . APS . org/PRL/accepted/78079y 84y 081 c 97378657 f 0692 b 88 fad 215208 b 84
https://journals . APS . org/PRL/accepted/0907 by 08x 531687d 3971977071 a6 D5 f 742 CB 036 ed
#图像来源:
封面图片:szcylu/Pixabay
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来源:原则
编辑:藏族傻逼
