Kan kvantefysikken klare seg uten «imaginære» tall? En liten revolusjon kan være i gang

Her kommer noe som fikk meg til å stoppe opp midt i lesingen: Et av de mest grunnleggende verktøyene i kvantefysikken — de såkalte «imaginære tallene» du kanskje husker fra matematikktimen på videregående — kanskje slett ikke er nødvendige likevel.

Jeg vet, jeg vet. Imaginære tall høres allerede ut som noe oppdiktet (de heter jo tross alt «imaginære»). Men i kvantemekanikken har disse matematiske skapningene blitt behandlet som essensielle i nesten hundre år. Nå utfordrer en gruppe forskere den antakelsen, og ærlig talt — det får meg til å tenke helt nytt om hvordan universet fungerer på sitt mest grunnleggende nivå.

Hva snakker vi egentlig om?

La meg ta et steg tilbake. Husk tallinjen fra skolen? Positive tall, negative tall, og god, gammel null i midten. Vel, imaginære tall kommer inn i bildet når du prøver å finne kvadratroten av et negativt tall — noe som burde være umulig med vanlig matematikk.

Matematikerne løste dette ved å lage «i», som representerer kvadratroten av -1. Det er litt som å finne opp en ny farge som bare eksisterer i fantasien din (derav navnet). Komplekse tall kombinerer disse imaginære delene med vanlige «reelle» tall til uttrykk som 3 + 4i.

I over hundre år har fysikere brukt disse komplekse tallene som ryggraden i kvantemekanikken. Den reelle delen av en kvantetilstand representerer noe som heter «amplitude» (basisk sett hvor sannsynlig noe er), mens den imaginære delen representerer «fasen» — tenk på det som en skjult dimensjon av kvantetilstanden som påvirker hvordan bølger samhandler.

Det store spørsmålet: Nødvendige eller bare praktiske?

Her blir det filosofisk interessant. Selv om vi har brukt komplekse tall i kvantefysikk i tiår, har ingen vært helt sikre på om de faktisk er påkrevet av naturen, eller om de bare er en nyttig matematisk snarvei.

Det er litt som å bruke en Schweizerkniv til å bygge møbler. Jo, skrutrekkeren er kanskje essensiell for å sette sammen ting, men trenger du virkelig de små saksene og proptrækkeren? Kanskje du bare er vant til å ha dem der.

Dette spørsmålet betyr noe fordi hvis komplekse tall virkelig er fundamentale for hvordan universet fungerer på kvantenivå, forteller det oss noe dypt om virkeligheten. Men hvis de bare er et praktisk verktøy — ja, da åpner det for fascinerende muligheter.

En uventet vri i historien

Tilbake i 2021 publiserte noen fysikere forskning som konkluderte med at komplekse tall var absolutt essensielle for kvantemekanikken. Eksperimentene deres støttet denne konklusjonen, og det vitenskapelige miljøet aksepterte det stort sett.

Men et team fra Heinrich Heine-universitetet i Düsseldorf og Det tyske luftfartssenteret bestemte seg for å se nærmere på antakelsene bak den konklusjonen. Ledet av professor Dagmar Bruß og doktorgradsstudent Pedro Barrios Hita, oppdaget de noe overraskende: et av de grunnleggende «postulatene» brukt i den tidligere forskningen var mer restriktivt enn nødvendig.

Tenk på det slik: Tenk deg at noen fortalte deg at du må bruke motorsag for å skjære et stykke tre. Teknisk sett sant, men også litt overkill når en enkel håndsag fungerer perfekt og gjør jobben like godt.

Den reelle revolusjonen

Ved å erstatte den overdrevent restriktive antakelsen med en annen, mer fysikkmotivert tilnærming for å beskrive hvordan kvantesystemer kombineres, fant teamet noe bemerkelsesverdig: du kan beskrive kvantemekanikk fullt ut med reelle tall — ingen imaginære komponenter nødvendig.

Det interessante? Deres formulering gir identiske prediksjoner som vanlig kvantemekanikk. Vi snakker om hvilket som helst tenkelig eksperiment du kan drømme opp. Begge tilnærmingene ville gi deg akkurat de samme svarene om hvordan partikler oppfører seg, hvordan bølger interfererer, og hvordan kvantetunnelering fungerer.

Med andre ord: imaginære tall kan bare være en matematisk bekvemmelighet vi har overbrukt — ikke et grunnleggende krav fra hvordan universet fungerer.

Hvorfor bør du bry deg?

Her er det som virkelig får meg til å engasjere meg: fysikk skal beskrive naturen så enkelt som mulig. Det kalles Ockhams barberblad — når du har konkurrerende forklaringer, er den enklere vanligvis bedre. Hvis vi kan beskrive kvantemekanikk med færre matematiske verktøy samtidig som vi beholder all prediktiv kraft, tyder det på at vi kommer nærmere en forståelse av hva som virkelig foregår.

I tillegg kan dette ha praktiske konsekvenser for kvantedatamaskiner og kvantekommunikasjonsteknologi. Hvis vi ikke trenger å jobbe med komplekse tall, kan våre teoretiske rammeverk og potensielt våre fysiske implementasjoner bli mer elegante og effektive.

Oppsummert

Jeg skal ikke late som om dette er avklart vitenskap. Fysikk har tatt feil før, og vil ta feil igjen. Men er det ikke fantastisk at vi i 2026 fremdeles stiller fundamentale spørsmål ved noen av de kjernematematiske verktøyene vi har brukt i et århundre?

Universet bryr seg ikke om våre matematiske konvensjoner. Hvis komplekse tall viser seg å være unødvendige, er ikke det en feil ved naturen — det er et tegn på at vi har drasset rundt på extra bagasje vi ikke trengte. Og ærlig talt, det er noe vakkert med det. Naturen foretrekker enkelhet, selv når våre teorier ikke starter sånn.

Kanskje universet har prøvd å si oss noe hele tiden. Og kanskje, endelig, begynner vi å lytte.