(資料圖片僅供參考)
北京時間2022年12月20日，美國物理學會旗下的Physics網(wǎng)站公布今年國際物理學領域十項重大進展。其中，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽、朱曉波、張強等完成的實數(shù)量子力學檢驗系列實驗，與激光聚變首次跨越盈虧點、銀河系黑洞的第一張照片、詹姆斯·韋布空間望遠鏡拍攝標志性宇宙圖像、航天器碰撞改變行星軌道、破譯蛋白質折疊等十項研究成果入圍。
物理學家使用數(shù)學來描述自然規(guī)律。復數(shù)中虛數(shù)的基本單位i，對應于英文“想象的”。在經(jīng)典物理學中，人們只用實數(shù)就可以寫出所有定律，而復數(shù)僅僅作為一個方便的計算工具被主觀引入。隨著量子力學誕生，量子力學是否必須使用復數(shù)描述，以及這個“想象的”i是不是客觀實在，是一直存在著爭議的、長期的基礎性問題。1926年，薛定諤提出薛定諤方程后，致信洛倫茲：“這個（薛定諤）方程中令人不愉快的，也是我直接反對的，是復數(shù)的使用。”此后，馮·諾依曼、斯蒂克爾堡等人也試圖發(fā)展過全實數(shù)形式的量子理論。楊振寧在《20世紀數(shù)學與物理的分與合》一文中寫道：“i在量子力學以前也出現(xiàn)過，可是不是基本的，只是一個工具。到了量子力學發(fā)展以后，它就不只是個工具，而是一個基本觀念了。為什么基礎物理學必須用這個抽象的數(shù)學觀念，虛數(shù)i，現(xiàn)在沒有人能解釋。”
如同1964年提出的貝爾不等式提供了檢驗1935年愛因斯坦和波爾論戰(zhàn)的判據(jù)一樣，檢驗復數(shù)在量子力學中的必要性的理論判據(jù)在2021年被提出來。
潘建偉團隊在國際上率先開展了對實數(shù)量子力學的一系列檢驗。團隊以超過判據(jù)43個標準差的實驗精度首次證明了復數(shù)在標準量子力學形式中的必要性。為了嚴格地檢驗復數(shù)的客觀存在性，填補存在的定域漏洞等問題，研究團隊又開展了新的實驗，實驗結果以5.3個標準差超過了實數(shù)形式的量子力學預測結果，實驗結論支持量子物理需要使用復數(shù)，更嚴格驗證了量子力學中復數(shù)的不可或缺。
系列實驗研究工作首次在愛因斯坦嚴格定域條件下證明了“虛數(shù)不虛”，不僅加深了人們對量子基礎物理的認知，而且激發(fā)科學家們探索更多的量子力學基本問題，也為未來量子信息技術的探索提供了新的啟示。
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