虚数对于描述现实可能是必不可少的

几个世纪前，数学家感到不安的是，发现计算某些曲线的特性需要看似不可能的：数字乘以它们本身就变成负数。

数字线上的所有数字均加平方，得出正数；反之亦然。 2 2 = 4，而（-2）2 =4。数学家开始将那些熟悉的数字称为“实数”，而将那些看似不可能的数字称为“虚数”。

以i为单位标记的虚数（例如，（2 i）2 = -4）逐渐成为数学抽象领域的固定物。但是，对于物理学家来说，实数足以量化现实。有时，具有实部和虚部（例如2 + 3 i）的所谓复数都可以简化计算，但是显然是可选的。从未有仪器返回带有i的读数。

然而，物理学家可能只是第一次证明了虚数在某种意义上是真实的。

一组量子理论家设计了一个实验，其结果取决于自然是否具有虚幻的一面。只要量子力学是正确的（一个很少有人会质疑的假设），研究小组的论点就可以保证复数是我们对物理宇宙的描述中不可避免的一部分。

匈牙利科学院核研究所的物理学家塔玛斯·韦特西（TamásVértesi）说：“这些复数通常只是一个方便的工具，但事实证明它们确实具有一定的物理意义。” ，则相反。他说：“世界真的需要这些复杂的数字。”

在量子力学中，一个粒子或一组粒子的行为被称为波函数或ψ的波状实体封装。波动函数会预测可能的测量结果，例如电子的可能位置或动量。所谓的薛定ding方程描述了波函数如何随时间变化-该方程的特征是i。

物理学家从未完全确定该怎么做。当ErwinSchrödinger得出现在以他的名字命名的方程式时，他希望将i消除掉。他在1926年写给亨德里克·洛伦兹（Hendrik Lorentz）的信中说：“这里令人讨厌的，实际上是直接要反对的是复数的使用。sure肯定是一种基本的实函数。”

Schrödinger的愿望从数学角度来看当然是合理的：复数的任何性质都可以通过实数与新规则的组合来捕捉，以保持它们的一致，从而为量子力学的全实物形式开辟了数学上的可能性。

确实，翻译非常简单，薛定ding几乎立即发现了他认为是“真波动方程”的一个方程式，该方程式避开了我。在写给洛伦兹的信不到一周后，他写信给马克斯·普朗克：“另一颗沉重的石头从我心里滚了下来。” “一切都完全按照人们的意愿而来。”

但是，使用实数模拟复杂的量子力学是一项笨重而抽象的工作，薛定er意识到他的全实数方程对于日常使用来说太麻烦了。不到一年，他就将波函数描述为复杂的，就像今天物理学家们想到的那样。

“任何想完成工作的人都使用复杂的描述，”澳大利亚昆士兰科技大学量子计算机科学家马修·麦卡格说。

然而，关于量子力学的真正表述一直在徘徊，以证明复杂版本仅仅是可选的。例如，包括Vértesi和McKague在内的团队就在2008年和2009年表明，在人们看不见i的情况下，他们可以完美地预测著名的贝尔物理学量子实验的结果。

这项新研究于1月份发布在科学预印本服务器arxiv.org上，发现早期的贝尔测试建议还远远不足以打破量子物理学的实数版本。它提出了一个更复杂的贝尔实验，似乎需要复数。

这组作者写道，包括西班牙光子科学研究所的马克·奥利维尔·雷努和日内瓦大学的尼古拉斯·吉辛在内，作者们写道，较早的研究使人们得出结论：“在量子理论中，复数仅是方便的，但不是必需的”。 “在这里我们证明这个结论是错误的。”

该小组拒绝公开讨论他们的论文，因为它仍在同行评审中。

贝尔测试证明，成对的远距离粒子可以在单个“纠缠”状态下共享信息。例如，如果缅因州的四分之一硬币与俄勒冈州的四分之一硬币纠缠在一起，那么反复抛掷表明，只要一枚硬币落在头上，它的远方伙伴就会奇怪地出现尾巴。类似地，在标准的贝尔测试实验中，纠缠的粒子被发送给两个物理学家，绰号是爱丽丝和鲍勃。他们测量了粒子，并在比较测量结果后发现，结果之间的关联是无法解释的，除非粒子之间共享信息。

升级后的实验增加了粒子对的第二个来源。一对去了爱丽丝和鲍勃。第二对来自不同的地方，去了鲍勃和第三方查理。在具有复数的量子力学中，爱丽丝（Alice）和查理（Charlie）接收到的粒子不需要相互缠绕。

但是，没有实数描述可以复制三位物理学家将测量的相关模式。新论文表明，将系统视为真实系统需要引入额外的信息，这些信息通常位于波动函数的虚部。爱丽丝（Alice），鲍勃（Bob）和查理（Charlie）的粒子必须都共享此信息，以便重现与标准量子力学相同的相关性。容纳这种共享的唯一方法是使它们的所有粒子相互缠绕。

在贝尔测试的前身中，爱丽丝和鲍勃的电子来自单一来源，因此它们在实数描述中必须携带的额外信息不是问题。但是，在爱丽丝和查理的粒子来自独立来源的两源贝尔测试中，虚拟的三方纠缠在物理上是没有意义的。

即使没有聘请爱丽丝，鲍勃和查理来实际执行新论文所设想的实验，大多数研究人员仍然对标准量子力学的正确性和实验将找到预期的相关性充满信心。如果是这样，那么仅靠实数不能完全描述自然。

意大利特伦托大学（University of Trento）的数学物理学家瓦尔特·莫雷蒂（Valter Moretti）说：“实际上，该论文确定了存在真正的，复杂的量子系统。” “这个结果对我来说是出乎意料的。” 不过，很有可能实验会在某天进行。 这并不简单，但不存在技术障碍。 随着研究人员继续通过新兴的量子互联网将众多的爱丽丝，鲍勃和查理斯联系起来，对更复杂的量子网络的行为的更深入了解将变得越来越重要。 作者写道：“因此，我们相信，对真实量子物理学的反驳将在不久的将来到来。”