(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。
物理學家使用數學來描述自然規律。復數中虛數的基本單位i，對應于英文“想象的”。在經典物理學中，人們只用實數就可以寫出所有定律，而復數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，是復數的使用。”此后，馮·諾依曼、斯蒂克爾堡等人也試圖發展過全實數形式的量子理論。楊振寧在《20世紀數學與物理的分與合》一文中寫道：“i在量子力學以前也出現過，可是不是基本的，只是一個工具。到了量子力學發展以后，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學觀念，虛數i，現在沒有人能解釋。”
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的判據一樣，檢驗復數在量子力學中的必要性的理論判據在2021年被提出來。
潘建偉團隊在國際上率先開展了對實數量子力學的一系列檢驗。團隊以超過判據43個標準差的實驗精度首次證明了復數在標準量子力學形式中的必要性。為了嚴格地檢驗復數的客觀存在性，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，更嚴格驗證了量子力學中復數的不可或缺。
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“虛數不虛”，不僅加深了人們對量子基礎物理的認知，而且激發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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