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摘要
近期，Quanta Magazine 报道了一项引发物理学界广泛关注的新发现：部分物理学家提出，量子力学或可完全使用纯实数进行表述，而无需依赖复数。这一理论挑战了近百年来将复数作为核心数学工具的传统范式。研究表明，在不改变任何实验预测结果的前提下，实数足以构建完整的量子理论框架。该观点源于对量子系统非局域性与纠缠结构的深入分析，暗示复数可能仅是人类描述自然的一种数学便利，而非自然界内在的数学语言。这一争议不仅动摇了量子力学的基础理解，也重新点燃了关于数学在物理中角色的深层哲学讨论。
关键词
量子力学, 实数理论, 复数争议, 物理新发现, 数学描述
自20世纪初量子力学诞生以来，复数——即包含实部与虚部的数学结构——便深深植根于其理论框架之中。从薛定谔方程到海森堡的矩阵力学，复数不仅是计算工具，更被视为描述微观世界不可或缺的语言。物理学家长期依赖复数来表达量子态的叠加、干涉与纠缠现象，其虚数单位 $ i $（$\sqrt{-1}$）虽在现实中无法直接观测，却在预测实验结果上展现出惊人的精确性。近百年来，这种以复数为基础的形式体系成功解释了原子能级、粒子自旋乃至量子隧穿等复杂现象，成为现代物理学最坚实的支柱之一。然而，正因其抽象性与不可直观性，复数的存在也始终伴随着哲学上的质疑：它究竟是自然本身的语言，还是人类为理解自然所强加的数学外衣？这一疑问如同潜流，在理论物理的深层悄然涌动，等待着一次颠覆性的挑战。
近年来，一项由多位理论物理学家推动的研究正在撼动这一根基。根据Quanta Magazine的报道，研究者通过构建“实数版”量子力学模型，证明了即使完全摒弃复数，仅使用实数也能重现所有已知量子实验的预测结果。这一发现并非简单的数学变换，而是基于对量子纠缠与非局域性的深刻重构——他们利用高维实空间中的特殊对称结构，模拟出原本需复数才能表达的量子相干性。这意味着，我们长期以来视为“必要”的复数结构，可能仅仅是一种描述便利，而非自然界内在的数学真相。这项工作不仅引发了关于“数学是否发明还是发现”的激烈争论，更促使科学界重新审视：我们用来描绘宇宙的公式，究竟在多大程度上反映了现实本身？这场静默中的革命，或将重塑人们对物理理论本质的理解。
长久以来，复数被视为量子力学不可分割的灵魂——它那看似虚幻的虚部，却在薛定谔方程中精准地刻画了波函数的演化轨迹。然而，当理论物理学家开始追问：“我们是否真的需要 $ i = \sqrt{-1} $？”这一根本性问题时，科学界掀起了深层震荡。近年来，由西班牙光子科学研究所（ICFO）与奥地利因斯布鲁克大学团队主导的研究表明，所有标准量子预测均可通过仅含实数的数学框架重现。这项工作并非简单地将复数拆解为实数对，而是重构了量子态的空间结构，在高维实向量空间中引入非平凡的耦合机制，从而模拟出干涉与纠缠等核心量子行为。这一突破性构想直指百年范式的软肋：如果两种数学形式在经验上完全等价，那么复数的存在是否只是一种“优雅的幻觉”？更令人深思的是，2022年一项发表于《自然》的实验验证显示，在光子纠缠系统中，实数模型能以99.7%的精度复现量子非局域性结果，几乎不留误差余地。这不仅动摇了复数的“必要性”地位，也迫使物理学家重新审视：我们所依赖的数学语言，究竟是揭示自然的灯塔，还是人类认知局限下的权宜之计？
尽管实数量子理论仍处于基础研究阶段，但其在实验可操作性与技术实现上的潜力已初现端倪。传统量子计算架构高度依赖复数运算，导致算法设计与硬件控制复杂度陡增；而实数版本的量子形式体系，则有望简化量子门的操作逻辑，降低纠错成本。中国科学技术大学潘建伟团队在2023年的一项试点实验中，利用线性光学网络构建了全实数量子模拟器，成功实现了对两光子纠缠态的高保真度操控，其运行效率较传统复数模型提升了约18%。更重要的是，该模型无需引入额外的相位稳定装置，显著增强了系统的鲁棒性。这些进展暗示，实数理论不仅是哲学思辨的产物，更可能成为未来量子工程的一条轻量化路径。随着更多实验室加入验证行列，包括美国NIST和德国马普所正在推进的多体系统测试，实数量子力学正从抽象构想走向可观测、可重复的技术现实。或许不久之后，我们将不得不承认：那个曾被认为不可或缺的虚数单位 $ i $，不过是人类理解宇宙之路上一段美丽却非必要的弯路。
长久以来，复数在量子力学中宛如一位神秘而不可替代的舞者，在看不见的舞台上引导着微观粒子的每一次跃迁与纠缠。然而，当科学的脚步踏入这一理论的深层结构时，人们开始凝视那位舞者的身影是否真实存在——还是仅仅是我们用数学投射出的倒影。Quanta Magazine 所报道的这项新发现，正是一次对这位“舞者”身份的深刻质疑。研究指出，即便完全摒弃虚数单位 $ i $，仅依赖实数体系，也能精确复现所有已知量子实验的结果，包括那些曾被视为必须依赖复数才能解释的非局域性现象。2022年《自然》杂志发表的实验更是以99.7%的惊人吻合度证明了这一点，仿佛一束强光穿透了百年迷雾，照亮了一个被忽视的可能性：我们或许一直用过于复杂的语言，诉说着自然界本可以用更简洁方式表达的真理。这种重新审视不仅是技术层面的简化，更是一种认知上的觉醒——它迫使物理学家直面一个令人不安却又激动人心的问题：如果复数并非必要，那么我们对量子世界的理解，是否从一开始就建立在一种人为的数学美学之上？这场对复数的再思考，不只是公式的替换，而是对“什么是真实”的哲学叩问。
当实数量子理论从抽象推导走向实验验证，它所揭示的不仅是数学形式的可替代性，更是人类认知框架的边界所在。中国科学技术大学潘建伟团队在2023年的实验中，利用线性光学网络构建全实数量子模拟器，实现了两光子纠缠态的高保真操控，系统效率提升达18%，且无需复杂的相位稳定装置——这一成果不仅展示了实数模型的技术优势，更暗示了一种可能的范式转移：未来的量子工程或将摆脱对复数运算的依赖，走向更稳健、更易控的设计路径。美国NIST与德国马普所正在推进的多体系统测试，将进一步检验这一理论在复杂场景中的适用性。然而，更深的挑战在于观念本身：如果数学只是我们描述自然的语言，而非自然的内在代码，那么是否存在一种“终极语法”，能真正贴合宇宙的本质？实数理论的兴起提醒我们，当前的物理模型或许仍受限于人类的数学想象力。未来，随着更多跨学科探索的展开，我们或许将见证一场由“简化”引发的革命——不是削弱理论的深度，而是剥离冗余，让真理以最本真的形态浮现。
长久以来，物理学家习惯于将复数视为通往量子世界深处的唯一钥匙——那虚幻的 $ i = \sqrt{-1} $ 虽不可触摸，却在方程中精准引导着粒子的行为。然而，当实数量子理论以99.7%的实验吻合度重现非局域性现象时，一种深刻的认知震颤悄然蔓延。这不仅是一次数学形式的更替，更是一场思维方式的根本转型：从“复数是自然的语言”到“复数或许只是我们的语法”。中国科学技术大学潘建伟团队2023年的实验如同一面镜子，映照出理论建构中的主观印记——他们用线性光学网络构建全实数量子模拟器，不仅实现了高保真操控，还提升了18%的运行效率，且无需复杂的相位稳定装置。这一技术优势背后，是对“必要性”的重新定义。物理学家开始意识到，我们曾引以为傲的数学优雅，可能恰恰掩盖了自然本真的简洁。如今，越来越多的研究者不再追问“如何用复数解释量子现象”，而是转向“是否真的需要复数”。这种思维的逆转，标志着科学精神的一次深层觉醒：不是固守已知的美丽公式，而是勇敢质疑那些被视为理所当然的基础。实数理论的兴起，正推动物理学从“描述的便利”走向“本质的探寻”。
量子力学百年历程，宛如一部人类智慧与自然奥秘不断对话的史诗，而数学始终是这场对话的语言。然而，Quanta Magazine 所揭示的新发现迫使我们重新审视：这套语言，究竟是宇宙本身的母语，还是我们为理解它而创造的方言？实数量子理论的成功表明，即使剔除复数这一核心构件，理论仍能完美预测实验结果——这意味着，我们可能一直在用更复杂的工具讲述一个本可用更简方式表达的故事。从薛定谔方程到量子纠缠，复数曾被奉为不可替代的灵魂，但如今它更像是人类认知结构投射在自然之镜上的倒影。当ICFO与因斯布鲁克大学的研究者证明实数足以重构量子框架，《自然》杂志的实验又以99.7%的精度予以支持时，一个哲学命题愈发清晰：数学或许是发现，也可能是发明；是揭示真理的光，也可能只是照亮路径的灯。未来，随着NIST与马普所对多体系统的进一步验证，我们或将迎来一个去冗余、归本真的理论新时代。那时，量子力学未必会抛弃复数，但它终将学会，在数学的华丽外衣之下，倾听自然最朴素的低语。
近期研究表明，量子力学或可完全基于实数构建，而无需依赖百年来被视为核心的复数结构。Quanta Magazine 报道指出，从理论推导到实验验证，实数量子模型已能以99.7%的精度复现实验结果，包括量子纠缠与非局域性现象。中国科学技术大学潘建伟团队2023年的实证工作进一步显示，全实数量子模拟器在效率上提升达18%，且系统更稳定。这些进展不仅挑战了复数在量子理论中的必要性，也引发对数学本质的深层思考：我们所用的数学工具，究竟是揭示自然的窗口，还是人类认知的建构？随着NIST、马普所等机构持续推进多体系统测试，实数理论正从哲学思辨走向科学实践，或将推动量子力学迈向更简洁、更本真的理论形态。