新研究發現描述現實可能需要虛數隻要標準量子理論站得住腳 虛數就是至關重要的。(圖解:貝爾實驗基於量子糾纏 以虛繪實,量子理論,離不開復數嗎? - 趣味新聞網
發表日期 4/8/2022, 1:21:06 PM
趣味新聞網記者特別報導 : 新研究發現描述現實可能需要虛數隻要標準量子理論站得住腳,虛數就是至關重要的。(圖解:貝爾實驗基於量子糾纏,為瞭測試虛數在描述現實中的重要性,研究人員采用瞭升級版的貝爾實驗。 圖源:尤裏剋・皮特)兩項… .....
新研究發現描述現實可能需要虛數
隻要標準量子理論站得住腳,虛數就是至關重要的。
(圖解:貝爾實驗基於量子糾纏,為瞭測試虛數在描述現實中的重要性,研究人員采用瞭升級版的貝爾實驗。 圖源:尤裏剋
・
皮特)
兩項最新研究錶明,虛數對於準確描述現實不可或缺。
對負數開平方就會得到虛數。量子力學是描述小小世界的物理學分支,而長久以來,虛數都被用於最重要的量子力學公式當中。虛數與實數相加産生復數,有瞭復數,物理學傢纔能簡潔明瞭地寫齣量子等式。量子理論必須使用這種數學嵌閤體嗎?還是說,後者隻是研究前者的捷徑?這一點一直備受爭議。
事實上,即便是量子力學創建者們也認為包含復數的公式令人不安。提齣瞭量子力學波函數ψ(普賽)並將復數引入量子理論的第一人――物理學傢埃爾溫・薛定諤(Erwin Schr dinger)在給友人亨德裏剋・洛倫茲(Hendrik Lorentz)的信中寫道:“采用復數令人不悅,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
・
奧列剋西)
薛定諤的確找到瞭僅用實數錶達其等式的方法,輔以一係列描述等式用法的附加條件。此後的物理學傢對量子理論的其他部分也做瞭實數化。但是,由於缺乏確鑿的實驗證據,物理學傢很難判斷這些“全實數”等式的預測正確與否,於是問題遺留瞭下來:虛數僅僅是一個簡化選項嗎?量子理論離瞭它就無法描述現實嗎?
《自然(Nature)》和《物理評論快報(Physical Review Letters)》於12月15日刊登的兩篇研究證實薛定諤在這一點上是錯誤的。他們通過一個相對簡單的實驗錶明,如果量子力學是正確的,虛數就是我們宇宙數學必不可缺的一部分。
(圖解:薛定諤方程描述瞭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錶述該理論中齣現的復數,”來自西班牙光子科學研究所的論文第一作者馬剋-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(復數)的效果非常好,但是沒有明確的方式從任何現實元素中找到復數。”
(圖源:安東
・
彆利茨基
/Getty
)
為瞭測試復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瞭改造。這項測試最先由物理學傢約翰・貝爾(John Bell)於1964年設計齣來,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,物理學傢設計瞭一個實驗,在初級量子網絡裏,把兩個獨立的源(S與R)放置於三個探測器(A,B和C)之間。源S將放齣兩個糾纏態的輕粒子或者說光量子,分彆發往探測器A和探測器B。源R也會放齣兩個糾纏光子,分彆發往節點B和節點C。如果宇宙可以被標準量子力學基於復數描述齣來,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,如果采用基於實數的量子理論,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瞭另一個實驗,他們將激光束照射到晶體上,激光傳遞給晶體的部分原子的能量隨後以糾纏光子的形式釋放齣來。通過觀察抵達三個監視器的光子的狀態,研究人員發現抵達監視器A和監視器C的光子不是糾纏的,這意味著實驗數據隻能由采用復數的量子理論來描述。
實驗結果很直觀:光子需要在物理層麵上相互作用以發生糾纏,因此當不同物理源分彆産生瞭抵達探測器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確無誤,他們的實驗纔能推翻棄用復數的理論。大多數科學傢都對主流量子力學慣例的正確性堅信不疑,但這仍然是一條重要的警告。
(圖源:
Shutterstock
)
雷諾認為,實驗結果錶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物理設備的可靠性。”雷諾說。這意味著將來物理學傢可能隻要完成基於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,研究人員還錶示,他們的實驗裝置是一個基本的量子網絡,可能有助於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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綜述 隨著人類文明和智慧的不斷前進和發展,科學技術也有瞭顯著的飛躍,可是越是進一步探索,人們越會發現這個世界上存在著太多無法解釋的神秘現象和未知領域,甚至有很多是人類傾盡一生也無法解釋的,就比如宇宙的多維度理論。 在科學傢眼中,人類以及人類所適用的一切器物都是處於一個三維世界當中,而放眼無盡宇宙,人類和地球又是最低等也是最微小的。由此來看,存在於理論中的高維空間到底是什麼樣子的呢,裏麵的生物或者物品和我們三維又有何區彆呢? 今天就先來講一下來自四維空間的瓶子――剋萊因瓶。 神秘的剋萊因瓶 .......
地球上曾經下過一場100多萬年的雨,這樣的天氣在未來還會有嗎?
綜述 在我們如今的生活中,降雨會幫助人們滋養土地,驅散炎熱,但是如果降雨的時間持續過長,那麼大量的雨水就會堆積在地麵而無法被及時排除,進而對我們的生活造成無比嚴重的影響。 之前就曾遇到連續數月的降雨,那場史無前例的大雨不僅摧毀瞭莊稼和房屋,還讓不少人為此喪命。 光是這幾個月的大雨就讓人們的生活幾乎遭到瞭緻命的打擊,更彆說更長時間的降雨瞭,可是在遠古時期真的存在這樣一場長達100多萬年的漫長雨季。 科學傢們在進行完相關工作後發現,在三疊紀岩石層中存在大量的降雨痕跡,而且這一現象並非偶然而是在.......
森林是不是越多越好?3.06億年前的地球早就給齣瞭答案
綜述 綠化與環保是當下許多國傢所倡導的,而想要搞好綠化離不開大量的種植樹木,樹木多瞭形成森林對環境的改善很有幫助。單從光閤作用來說。森林可以吸收大量的二氧化碳減緩全球氣候變暖,森林還可以釋放氧氣使得空氣更新鮮。那是不是意味著森林越多越好?這樣我們就可以呼吸到更新鮮的空氣瞭,事實上並非如此。 在3.06億年前陸地上被大麵積的森林覆蓋,那時空氣中的氧含量遠高於現在。可正因如此導緻瞭全球氣溫下降,很多動物因此而死亡植物也大麵積凋零。直到後來植物恢復到一定數量,氣溫纔漸漸迴升,大地上纔重新煥發起瞭生機.......
“我居然是我爸生的?”
墨魚不是魚(烏賊目); 甲魚不是魚(龜鱉目); 鮑魚不是魚(原始腹足目); 鰐魚不是魚(鰐目); 衣魚不是魚(昆蟲綱衣魚目); 但海馬,卻是魚哦! (海龍魚目) (橫滑下圖,查看各種海馬大小對比) 攝影:DAVID LIITTSCHWAGER 一隻雄性膨腹海馬展露細絲狀皮膚組織形成的頭冠,該結構就像人類的指紋一樣具有個體特異性。 攝影:DAVID LIITTSCHWAGER,BIRCH AQUARIUM 雖然海馬非馬,卻形似多種動物混閤體,唯獨不像魚;它們非常奇特,是由爸爸懷孕.......
清華大學蓋鋒課題組招聘博士後,生物化學及生物物理方嚮
��藥明康德內容團隊編輯 蓋鋒課題組介紹 課題組隸屬於北京大學化學與分子工程學院,長期緻力於開發並應用新的針對復雜化學、材料和生物體係的光學測量與操控方法,為從微觀水平上實現對軟物質材料和生物分子等所參與的化學反應、分子輸運、構象變化等過程進行高時空分辨的機理研究提供手段,推進相關重要科學問題的解決。在生物物理研究方麵,課題組注重發展和應用基於非天然氨基酸的熒光和紅外探針以及綫性和非綫性光譜技術,在各種時間和空間分辨率下研究水溶液、生物膜以及擁擠和受限環境中的蛋白質摺疊和功能動力學等。 更多信.......
科技早新聞來瞭丨2022-4-8
【今日封麵】 進入4月,位於新疆伊犁河榖上的昭蘇草原積雪逐漸開始消融,頂冰花在涓涓雪水的滋養下悄然綻放。新華社發,李文武 攝 消息站 高分三號係列3顆衛星處在同一軌道示意圖。圖片來源:中國航天科技集團 ●7日7時47分,我國在酒泉衛星發射中心用長徵四號丙遙三十八運載火箭成功發射高分三號03星。高分三號03星發射入軌後將與在軌運行的高分三號01星、高分三號02星組網運行,三星攜手在太空中織就一張“天眼網”,實現1米分辨率、1天重訪,將大大提升我國雷達衛星海陸觀測能力。(來源:科技日報) .......
北京四中學生收到王亞平迴信『航天視窗』(98)
今天是太空與您相伴的【第1446期】 國 內 航 天 北京四中學生收到王亞平迴信 近日,北京四中初一3班的學生們收到瞭一封來自太空的迴信。神舟十三號乘組航天員王亞平從跨越400公裏的中國空間站與學生們分享浩瀚太空的壯美,暢談航天夢。她鼓勵學生們:用智慧和汗水打造自己的夢想飛船。 王亞平在信中描述:每每飛臨祖國上空,透過舷窗俯瞰中國,廣袤的陸地、雄俊的高山、綿延的江河、無垠的海洋、涇渭分明的海岸綫盡收眼底。“這個時候,我的內心升騰起的除瞭震撼,更多的是為生在偉大祖國感到驕傲、生逢偉大時代感到.......