何世紀も前、数学者は、特定の曲線の特性を計算するには、一見不可能に見える数、つまり、それ自体を掛けると負になる数が必要であることを発見したときに心配していました。
二乗された数直線上のすべての数は正の数を与えます。 2 2 = 4および（-2） 2 = 4。数学者は、これらのよく知られた数を「実数」と呼び始め、一見不可能と思われるさまざまな数、つまり「虚数」と呼び始めました。
単位i（たとえば、（2i）2 = -4）でラベル付けされた虚数は、 徐々に数学の抽象的な分野の不可欠な部分になりました。ただし、物理学者にとっては、現実を定量化するには実数で十分でした。 2 + 3iなど、実数部と虚数部を持ついわゆる複素数は、計算を単純化する場合があります。さらに、デバイスの読み取り値にi（虚数単位）が含まれることはありません 。
しかし、物理学者は、虚数がある意味で実数であることを初めて示したかもしれません。
場の量子論の分野の理論家のグループが実験を開発しました。その結果は、自然が虚数の側面を持っているかどうかによって異なります。量子力学が正しいとすれば（ほとんど議論しないだろうという仮定）、チームの議論は本質的に複素数が物質宇宙を記述する上で避けられない部分であることを保証します。
「これらの複素数は通常、便利なツールですが、ここでは何らかの重要な意味があることがわかります」と、ハンガリー科学アカデミーの核研究所の物理学者であるタマス・ヴェルテジ氏は述べて います。 「世界は本当にこれらの複素数を必要とするようなものです」と彼は言いました。
量子力学では、粒子または粒子のグループの振る舞いは、波動関数またはψとして知られる波のようなオブジェクトによって表されます。波動関数は、電子の可能性のある位置や運動量など、可能性のある測定結果を予測します。いわゆるシュレディンガー方程式は、波動関数が時間の経過とともにどのように変化するかを記述します。この方程式にはiが含まれ ます。
物理学者はそれについて何をすべきかを決して知りませんでした。エルヴィン・シュレーディンガーが今や彼の名を冠した方程式を思いついたとき、彼は私を取り除くことを望んでいました。 「不快で直接反対すべきことは、複素数の使用です。Ψは確かに実関数です」と彼は1926年にヘンドリック・ローレンツに書いた 。
もちろん、シュレディンガーの望みは数学的な観点からもっともらしいものでした。複素数の特性は、実数と新しい規則の組み合わせによって修正でき、完全に実数の量子力学の数学的可能性を開きます。
確かに、移行は十分に単純であることが判明したため、シュレーディンガーは、iによって「避けられた」「真の波動方程式」と彼が考えるものをほぼ即座に発見しました。 「別の石が私の魂から落ちた」と彼はローレンツへの手紙から1週間も経たないうちにマックスプランクに手紙を書いた。すべてが私たちが望んでいた通りになりました。
しかし、実数を使用して複雑な量子力学をモデル化することは厄介で抽象的であり、シュレディンガーは彼のすべての実数の方程式が日常の使用には面倒すぎることを認めました。彼は1年の間に、波動関数を今日の物理学者によって表現される形で複雑なものとして説明しました。 オーストラリアのクイーンズランド工科大学のコンピューターサイエンス科学者であるマシューマケイグは、次のように
述べ ています。 しかし、実数による量子力学の定式化は、複雑なバージョンが単に不要であるという証拠として生き残っています。たとえば、VerteziやMcCaigを含むチームは
2008年と 2009年は、iがない場合と同様に、ベルの実験として知られる量子物理学の有名な実験の結果を完全に予測できます。 1月に科学プレプリントサーバーarxiv.orgで
公開された新しい研究では 、ベルの実験の初期の提案は、量子物理学の実数バージョンを反証するほど進んでいないことがわかりました。この研究は、複素数を必要とするように思われる、より複雑なベル実験を示唆しています。 初期の研究により、人々は「量子論では複素数は便利ですが、必須ではない」と結論付けました。Marc-OlivierRenouxを含む著者はこう書いてい ます。
スペインのフォトニックサイエンス研究所 とジュネーブ大学のニコラスギジンから。 「私たちはこの結論の誤りを証明しています。」
グループはまだピアレビュー中であるため、その作業について公に議論することを拒否した。
ベルの実験は、互いに離れた粒子のペアが単一の「もつれ」状態で情報を交換できることを示しています。メイン州の25セント硬貨が、たとえばオレゴン州の同様の硬貨と混同される可能性がある場合、繰り返し反転すると、1つの硬貨が頭に落ちるたびに、その遠いパートナーが奇妙なことに尾を引くことが示されます。同様に、標準的なベルの実験では、絡み合った粒子が架空の名前のアリスとボブの2人の物理学者に送られます。彼らは粒子を測定し、測定値を比較して、粒子が情報を交換しない限り、結果が説明に反する方法で相関していることを発見します。
再設計された実験では、粒子ペアの2番目のソースが追加されます。 1つのペアはアリスとボブに行きます。別の場所からの2番目のペアは、ボブとサードパーティのチャーリーに送信されます。複素数の量子力学では、アリスとチャーリーが得る粒子は互いに絡み合う必要はありません。
ただし、実数の形式での記述では、3人の物理学者が測定する相関モデルを再現することはできません。新しい記事は、システムを実数と見なすには、波動関数の虚数部に通常見られる追加情報の導入が必要であることを示しています。アリス、ボブ、チャーリーの粒子は、標準的な量子力学と同じ相関関係を再現するために、この情報を共有する必要があります。そして、この分離に適応する唯一の方法は、すべての粒子を互いに混同することです。
ベルの実験の以前の化身では、アリスとボブの電子は同じソースから来ていたので、実数を記述するために彼らが運ばなければならなかった追加情報は問題ではありませんでした。しかし、アリスとチャーリーの粒子が独立したソースから来ているベルの2ソーステストでは、架空の3方向エンタングルメントには物理的な意味がありません。
新しい記事が提示する実験を実際に実施するためにアリス、ボブ、チャーリーを関与させなくても、ほとんどの研究者は標準的な量子力学が正しいことを非常に確信しているため、実験は期待される相関関係を見つけます。もしそうなら、実数だけでは自然を完全に説明することはできません。
イタリアのトレント大学の数学者物理学者であるウォルターモレッティは、次のように述べてい ます。この結果は彼にとって全く予想外でした。
それにもかかわらず、いつか実験が行われる可能性が高いです。簡単なことではありませんが、技術的なハードルはありません。そして、研究者が新しい量子ネットワークを介して多数のアリス、ボブ、チャーリーをリンクし続けるにつれて、ますます複雑になる量子ネットワークの振る舞いを深く理解することがますます重要になり ます。
「したがって、私たちは、実際の量子物理学の反駁が近い将来に起こると信じています」と著者は書いています。