物理学家证明可以在现实世界中观察到量子力学虚数部分的作用

2021年04月28日 11:08 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

据外媒报道,近一个世纪以来,物理学家一直对一个基本问题感到好奇:为什么复数在量子力学中如此重要,即含有虚数i的物理公式。通常情况下,人们认为它们只是一种数学技巧,以方便描述现象,只有用实数表示的结果才有物理意义。然而,一个由波兰-中国-加拿大科学家组成的研究小组已经证明,可以在现实世界中观察到量子力学的虚数部分的作用。

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直到现在,似乎只有实数才与可测量的物理量有关。然而,在来自中国科学技术大学和卡尔加里大学的科学家们的参与下,由华沙大学量子光学技术中心(QOT)的Alexander Streltsov 博士团队进行的研究发现了纠缠光子的量子态,如果不借助复数就无法区分。此外,研究人员还进行了一项实验,证实了复数对量子力学的重要性。描述该理论和测量的文章已发表在《物理评论快报》和《物理评论A》杂志上。

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"在物理学中,复数被认为是纯粹的数学性质。诚然,尽管它们在量子力学方程中发挥着基本作用,但它们只是被当作一种工具,是为物理学家提供计算便利的东西。现在,我们已经从理论上和实验上证明,有些量子态只有在复数的参与下进行计算时才能被区分出来,"Streltsov博士解释说。

复数是由实数和虚数两部分组成的。它们的形式是a+bi,其中数字a和b是实数。i是虚数,被定义为-1的平方根。

假设桌子上有2或3个苹果。当我们拿走一个苹果时,我们可以说是一个物理缺失,并用负整数-1来描述它。我们可以把苹果切成两块或三块,得到有理数1/2或1/3的物理等价物。这些都是可以测量到的物理量,它们都可以用实数来表达。但桌子上仍然不可能出现i个苹果。

复数在物理学中令人惊讶的作用与以下事实有关,即它们可以用来描述各种振荡,比使用流行的三角函数要方便得多。因此,计算是用复数进行的,然后在最后只考虑其中的实数。

与其他物理理论相比,量子力学是特殊的,因为它必须描述物体在某些条件下可以像粒子,而在其他条件下像波。这个理论的基本方程,作为一个假设,是薛定谔方程。它描述了某个函数在时间上的变化,称为波函数,它与在特定状态下找到一个系统的概率分布有关。然而,虚数i公开出现在薛定谔方程的波函数旁边。

“几十年来,人们一直在争论是否可以仅用实数来创建连贯和完整的量子力学。因此,我们决定寻找只能用复数来区分的量子态。”Streltsov博士说:“决定性的时刻是在实验中我们创造了这些状态,并在物理上检查它们是否可以被区分。”

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