Zásadní posun ve fyzice: Kvantová mechanika se obejde bez imaginárních čísel

Fyzici z Heinrich-Heine University Düsseldorf (HHU) ve spolupráci s Německým leteckým a kosmickým centrem (DLR) přišli s novou analýzou, která naznačuje, že teorie kvantové mechaniky nemusí být nutně formulována s imaginárními čísly.

Vědci z Heinrich Heine University (HHU) Düsseldorf a Německého leteckého a kosmického centra (DLR) v Německu provedli novou analýzu, která ukazuje, že kvantová mechanika by mohla fungovat i bez imaginárních čísel. Tento objev umožňuje formulovat teorii kvantové mechaniky pouze pomocí reálných čísel, což představuje zásadní posun v dosavadním vědeckém přístupu.

V počátcích vědy se badatelé snažili odpovědět na otázky, jako proč předměty padají na zem nebo proč určité chemikálie reagují. K vysvětlení těchto jevů byly vyvinuty teorie. Jak už to ve vědě bývá, řešení některých problémů často vede k novým otázkám, které vyžadují hlubší zkoumání. Ve 20. století fyzici jako Max Planck, Niels Bohr a Erwin Schrödinger rozvinuli teorie pro vysvětlení světa atomových a subatomových částic, což vedlo k rozvoji kvantové mechaniky. Ta v posledních letech otevřela nové obory, například kvantové počítání a snímání.

Kvantová mechanika vznikla, když se fyzici snažili vysvětlit chování jevů, při nichž částice vykazovaly vlnové vlastnosti, například v experimentu s dvojitou štěrbinou. Dalším příkladem je kvantový tunelový jev, kdy částice dokážou proniknout bariérou, i když k tomu nemají dostatek energie. V kvantové fyzice se částice mohou kombinovat a vytvářet aditivní efekt, nebo se dokonce vzájemně rušit jako opačné fáze vlny. K matematickému vyjádření takového chování fyzici tradičně používali komplexní čísla, která se skládají ze dvou složek: reálné a imaginární části. Amplituda je reprezentována reálným číslem (1, 2, 3 atd.), zatímco její fáze je reprezentována imaginární částí (-1, -2, -3 atd.). Pomocí této konstrukce bylo možné matematicky vysvětlit, jak vlnové chování vede k rušivým efektům.

Fyzici dlouho diskutovali o tom, zda je použití komplexních čísel fundamentální nutností kvantové mechaniky, nebo jen nástrojem pro zjednodušení výpočtů. V roce 2021 tým výzkumníků z Rakouska dokonce publikoval práci, která experimentálně demonstrovala, že komplexní čísla jsou pro kvantovou mechaniku nezbytná. Profesorka Dagmar Bruss, vedoucí skupiny pro teorii kvantové informace na HHU, a její doktorand Pedro Barrios Hita však provedli novou analýzu postulátů použitých v této práci z roku 2021 a zjistili, že jeden z nich byl příliš restriktivní.

Bruss a její kolegové identifikovali fyzikálně motivovanou alternativu, která formalizuje složení systému a vede ke třídě teorií, jež lze formulovat s reálnými čísly, a přesto jsou nerozeznatelné od standardní kvantové mechaniky, a to i na experimentální úrovni. „To znamená, že oba rámce poskytují identické předpovědi pro jakýkoli představitelný experiment,“ uvedla profesorka Bruss v tiskové zprávě. „V rámci tohoto přístupu tak imaginární čísla nejsou v kvantové mechanice fundamentálně nutná a v zásadě je lze nahradit alternativními formulacemi používajícími reálná čísla.“ Tato výzkumná studie byla publikována v prestižním časopise Physical Review Letters.