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Imagen. / Science News

2021-12-15

La física cuántica necesita números imaginarios para explicar la realidad


Sin embargo, resulta que los números imaginarios son esenciales para explicar la sustancia subyacente. Parecen estar entretejidos en la estructura de la mecánica cuántica, una matemática que describe el dominio de moléculas, átomos y partículas subatómicas. Las teorías que siguen las reglas de la física cuántica requieren números imaginarios para describir el mundo real, sugeridos por dos nuevos experimentos.

Los números imaginarios resultan de sacar la raíz cuadrada de un número negativo. A menudo aparecen en las ecuaciones como herramientas matemáticas para facilitar los cálculos. Pero todo lo que realmente podemos medir sobre el mundo, el número real , los números no imaginarios habituales a los que estamos acostumbrados ( SN: 5/8/18 ). También se aplica a la física cuántica. Los números imaginarios aparecen en el funcionamiento interno de la teoría, pero todas las medidas posibles producen números reales.

El uso prominente de números complejos en la teoría cuántica (la suma de números imaginarios y reales) ha avergonzado a sus fundadores, incluido el físico Erwin Schrödinger. “Desde los primeros días de la teoría cuántica, los números complejos se han tratado como una conveniencia matemática más que como un componente básico”, dice Jingyun Fan, físico de la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur en Shenzhen, China.

Algunos físicos han intentado evitar el dominio ficticio en una versión llamada "mecánica cuántica real" y han construido la teoría cuántica utilizando sólo números reales. Pero sin pruebas experimentales de tales teorías, la pregunta sigue siendo si los números imaginarios son realmente necesarios en la física cuántica o simplemente una herramienta computacional útil.

Un tipo de experimento, conocido como el experimento de Bell, resolvió diferentes acertijos cuánticos y demostró que la mecánica cuántica realmente lo necesitaba. Extraño vínculo cuántico entre partículas llamado entrelazamiento ( SN: 28 de agosto de 2015 ). “Hemos comenzado a preguntarnos si este tipo de experimento puede ser contrarrestado por la mecánica cuántica real”, dice Miguel Navascues, físico teórico del Instituto de Óptica Cuántica de Viena. Él y su colega hicieron un plan para experimentos en la tesis Post online At arXiv .org en enero de 2021 el 15 de diciembre Nature ..

En este proyecto, los investigadores envían pares de partículas entrelazadas de dos fuentes diferentes a tres personas diferentes, llamadas Alice, Bob y Charlie, según la terminología tradicional de la física. Alice recibe una partícula y puede medirla usando diferentes configuraciones de su elección. Charlie hace lo mismo. Bob recibe dos partículas y realiza un tipo especial de medición para entrelazar las partículas que recibieron Alice y Charlie. La teoría cuántica real sin números imaginarios predice diferentes resultados de la física cuántica estándar y permite que los experimentos distingan cuál es la correcta.

Los fanáticos y colegas llevaron a cabo experimentos de este tipo utilizando fotones o partículas de luz. Carta de revisión física. Al estudiar cómo se comparan los resultados de Alice, Charlie y Bob en muchas mediciones, Fan, Navasque y sus colegas muestran que los datos se pueden describir. Solo por la teoría cuántica de números complejos .

Otro equipo de físicos realizó experimentos basados ​​en el mismo concepto utilizando computadoras cuánticas hechas de superconductores, que son materiales que conducen la electricidad sin resistencia. Esos investigadores también la física cuántica requiere números complejos . Informarán en otro artículo publicado en Physical review letter . "Tengo curiosidad por saber por qué se necesitan números complejos y juegan un papel fundamental en la mecánica cuántica", dijo Chao Yang Lu de la Universidad. of Science and Technology of China, coautor de este estudio.

Sin embargo, los resultados no descartan todas las teorías que evitan los números imaginarios, dice Jerry Finkelstein, físico teórico del Laboratorio Nacional de Lawrence Berkeley en California, que no participó en el nuevo estudio. Este estudio excluyó determinadas teorías basadas en números reales, es decir, aquellas que siguen las convenciones de la mecánica cuántica. Todavía es posible explicar los resultados sin números imaginarios utilizando teorías que rompen las reglas cuánticas estándar. Pero esas teorías se topan con otros problemas conceptuales y se vuelven "feas", dice. Pero, "si vas a aguantar la fealdad, puedes tener una teoría cuántica real".

A pesar de la advertencia, otros físicos están de acuerdo en que el enigma que plantea el nuevo descubrimiento es convincente. “Es intrigante preguntarse por qué la mecánica cuántica es así”, dijo Krister Shalm, físico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Boulder, Colorado. , "Estas son preguntas muy interesantes y que invitan a la reflexión".

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Science News

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