虚数可能看起来像独角兽和妖精——有趣但与现实无关。
但为了从根本上描述物质，虚数是必不可少的。它们似乎融入了量子力学的结构中，量子力学是描述分子、原子和亚原子粒子领域的数学。两项新实验表明，遵守量子物理规则的理论需要虚数来描述现实世界。
虚数是通过对负数求平方根而得到的。它们经常作为数学工具出现在方程中，以使计算变得更容易。但我们实际上可以测量的关于世界的一切都是用实数来描述的，即我们习惯的正常的、非虚数的数字（序列号：2018 年 5 月 8 日）。在量子物理学中也是如此。尽管虚数出现在理论的内部运作中，但所有可能的测量都会生成实数。
量子理论对复数（虚数和实数之和）的突出使用令包括物理学家埃尔文·薛定谔在内的其创始人感到不安。“从量子理论的早期开始，复数更多地被视为一种数学便利，而不是基本构件，”中国深圳南方科技大学的物理学家范景云说。
一些物理学家试图仅使用实数来建立量子理论，避免使用称为“真实量子力学”的版本进入想象领域。但如果没有对这些理论进行实验测试，问题仍然是虚数在量子物理学中是否真正必要，或者只是一种有用的计算工具。
一种称为贝尔测试的实验解决了一个不同的量子困境，证明量子力学确实需要粒子之间奇怪的量子联系，称为纠缠（序列号：2015 年 8 月 28 日 ）。维也纳量子光学和量子信息研究所的理论物理学家米格尔·纳瓦斯库埃斯 (Miguel Navascués) 表示：“我们开始思考此类实验是否也能反驳真实的量子力学。”他和同事于 2021 年 1 月在 arXiv.org 上在线发布了一篇论文，制定了一项实验计划，并于 12 月 15 日发表在 自然.
在这个计划中，研究人员将从两个不同来源向三个不同的人发送成对的纠缠粒子，这三个人按照传统物理学术语命名为爱丽丝、鲍勃和查理。爱丽丝收到一个粒子，并可以使用她选择的各种设置来测量它。查理也这么做。鲍勃接收到两个粒子并执行特殊类型的测量以纠缠爱丽丝和查理接收到的粒子。没有虚数的真正量子理论会预测与标准量子物理学不同的结果，从而使实验能够区分哪个是正确的。
范和同事使用光子或光粒子进行了这样的实验，他们在即将发表的论文中报告说 物理评论快报。通过研究爱丽丝、查理和鲍勃的结果如何在许多测量中进行比较，范、纳瓦斯库埃斯和同事表明，这些数据只能用复数的量子理论来描述。
另一个物理学家团队基于相同的概念进行了一项实验，使用由超导体制成的量子计算机，超导体是一种无电阻导电的材料。这些研究人员也发现量子物理学需要复数，他们在发表在《科学》杂志上的另一篇论文中报告说。物理评论快报。“我们很好奇为什么复数是必要的，并在量子力学中发挥着基础作用，”该研究的合著者、中国科学技术大学的量子物理学家陆朝阳说。
但加州劳伦斯伯克利国家实验室的理论物理学家杰里·芬克尔斯坦（未参与这项新研究）指出，结果并没有排除所有避开虚数的理论。该研究消除了某些基于实数的理论，即那些仍然遵循量子力学惯例的理论。通过使用打破标准量子规则的理论，仍然可以在没有虚数的情况下解释结果。但他说，这些理论遇到了其他概念问题，使它们变得“丑陋”。但“如果你愿意忍受丑陋，那么你就能拥有真正的量子理论。”
尽管有这样的警告，但其他物理学家一致认为，新发现所带来的困境是令人信服的。科罗拉多州博尔德市国家标准与技术研究所的物理学家 Krister Shalm 表示：“当你问为什么量子力学是现在这个样子时，我觉得很有趣。”询问量子理论是否可以更简单，或者它是否包含任何不必要的东西，“这些都是非常有趣且发人深省的问题。”
