国际研究小组证明可以在现实世界中观察到量子力学虚数部分的作用

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。

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。

"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。

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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。

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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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