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.

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. Podle jejich zjištění, publikovaných v časopise Physical Review Letters, lze pro její popis použít i reálná čísla.

Kvantová mechanika, jejíž vývoj začal na počátku 20. století díky vědcům jako Max Planck, Niels Bohr, Werner Heisenberg a Erwin Schrödinger, popisuje svět atomových a subatomových částic. Úspěšně vysvětluje jevy jako difrakce částic nebo kvantové tunelování. Důležité jsou dnes také jevy jako provázanost a koherence, které jsou klíčové pro aplikace v kvantových počítačích a komunikaci.

Tradičně jsou v kvantové mechanice důležitým nástrojem takzvaná komplexní čísla, která se skládají z reálné a imaginární části. Kvantový stav je popsán amplitudou (reálná část) a fází (imaginární část). Bez této konstrukce by mnoho procesů dříve nebylo možné popsat. Dlouho se vedly spory o to, zda jsou komplexní čísla v kvantové mechanice fundamentálně nezbytná, nebo zda představují pouze praktický výpočetní nástroj. Studie z roku 2021 například dospěla k závěru, že komplexní čísla jsou za standardních postulátů nezbytná, což bylo potvrzeno i experimentálně.

Nyní tým fyziků z HHU a DLR, vedený profesorkou Dagmar Bruß a jejím doktorandem Pedrem Barrios Hita, přezkoumal postuláty použité v dřívější studii. Zjistili, že jeden z těchto postulátů byl příliš omezující. Namísto toho identifikovali fyzikálně motivovanou alternativu pro formalizaci složení systému, která vede ke třídě teorií, jež mohou být formulovány výhradně s reálnými čísly. Tyto teorie jsou navíc experimentálně nerozlišitelné od standardní kvantové mechaniky.

Profesor Bruß k tomu uvedl, že oba rámce poskytují identické předpovědi pro jakýkoli představitelný experiment. To znamená, že imaginární čísla nejsou v kvantové mechanice zásadně nutná a mohou být v principu nahrazena alternativními formulacemi využívajícími pouze reálná čísla. Tento objev otevírá nové pohledy na základní matematickou strukturu kvantové mechaniky a může vést k hlubšímu teoretickému pochopení vesmíru, aniž by se změnily její praktické aplikace nebo experimentální předpovědi.