350-letnia teoria ujawnia „głęboki” związek między właściwościami światła

Urodzony w Holandii Christiana Huygensa Jest prawdopodobnie jednym z najsłynniejszych fizyków, o jakim nigdy nie słyszałeś. Jego prace pod koniec XVII wieku obejmowały namacalne i nieuchwytne sfery naszego wszechświata: naturę światła i mechanikę poruszających się ciał.

Wśród wielu swoich wkładów Huygens zaproponował falową teorię światła, która dała początek… Optyka fizyczna, który zajmuje się interferencją, dyfrakcją i polaryzacją światła. On także wynalazł pierwszy wahadło; Najdokładniejsze urządzenie do pomiaru czasu istniało prawie 300 lat temu, podczas rewolucji przemysłowej.

Pomiędzy tymi dwoma pozornie odmiennymi dziedzinami optyki i optyki dokonano niewielu powiązań Mechanika klasyczna – Dotychczas.

Para fizyków ze Stevens Institute of Technology w New Jersey ponownie zapoznała się z przełomową pracą Huygensa na temat wahadła, opublikowaną w 1673 roku, i wykorzystała jego 350-letnią teorię mechaniczną do odkrycia nowych powiązań między niektórymi z najdziwniejszych i najbardziej podstawowych pierwiastków . , właściwości światła.

„Dzięki temu pierwszemu badaniu wyraźnie pokazaliśmy, że stosując koncepcje mechanistyczne, możliwe jest zrozumienie systemów optycznych w zupełnie nowy sposób”. On mówi Fizyk Xiaofengqian.

Qian i jego kolega z Instytutu Stevensa, Misagh Izadi, w swoich obliczeniach wzięli pod uwagę dwie właściwości światła: polaryzację i formę korelacji znaną jako splątanie klasyczne lub niekwantowe.

Te dwie cechy odzwierciedlają dziwność Dwoistość światła To przenika każdą kieszeń naszego wszechświata. W sensie kwantowym światło – jak wszystkie formy materii – można opisać jako fale rozchodzące się w przestrzeni, ale jest to również dyskretne cząstki zlokalizowane w jednym punkcie.

Nie jest to jednak wyłącznie zjawisko kwantowe. W klasycznym świecie kół zębatych, sprężyn i tykających zegarów fale świetlne wznoszą się i opadają jak fizyczne zmarszczki na nieuchwytnym oceanie, a ich właściwości są powiązane z ich stale zmieniającym się postępem w przestrzeni.

„Od ponad wieku wiemy, że światło czasami zachowuje się jak fala, a czasami jak cząstka, ale pogodzenie tych dwóch struktur okazało się niezwykle trudne”. powiedział Qian.

„Nasza praca nie rozwiązuje tego problemu, ale pokazuje, że istnieją głębokie powiązania między koncepcjami fal i cząstek nie tylko na poziomie kwantowym, ale na poziomie klasycznych fal świetlnych i układów mas punktowych”.

Splątanie jest najczęściej zjawiskiem kwantowym i opisuje po prostu korelacje we właściwościach obiektów.

W przypadku cząstek może to być spin elektronów, pęd lub położenie pary fotonów. Wiedza o jednej z tych właściwości jednej cząstki mówi ci coś o tej samej właściwości drugiej.

Klasyczne splątanie również opisuje pewne korelacje, bez konieczności uwzględniania niestabilnej natury obiektu przed jego pomiarem.

polaryzacja Jest to kierunkowa właściwość fali świetlnej, która oscyluje w górę i w dół lub w lewo i w prawo. Cząstki takie jak fotony, pakiety energii tworzące wiązkę światła, również mogą być spolaryzowane.

Qian i Izadi pomyśleli, że jeśli fala świetlna oscyluje, podobnie jak wahadło, uda im się wykorzystać mechanikę tego ostatniego do opisania właściwości pierwszego.

„Zasadniczo znaleźliśmy sposób na przełożenie układu optycznego, dzięki czemu możemy go wizualizować jako układ mechaniczny, a następnie opisać go za pomocą dobrze ugruntowanych równań fizycznych” – powiedział Qian. On tłumaczy.

Zazwyczaj mechanikę klasyczną stosuje się do opisu ruchu dużych obiektów fizycznych, takich jak wahadła i planety. Na przykład Huygensa Teoria osi równoległych Opisuje związek pomiędzy masami i ich pędem.

Qian i Izadi pojmowali światło jako układ mechaniczny, do którego można zastosować twierdzenie Huygensa o osi równoległej, i odkryli „głęboką” zależność: stopień polaryzacji fali świetlnej był bezpośrednio powiązany ze stopniem niedawno uznanej właściwości zwanej splątanie przestrzeni wektorowej.

Obliczenia Qiana i Izadiego wskazują, że gdy jedno się podnosi, drugie spada, co pozwala na wywnioskowanie poziomu splątania bezpośrednio z poziomu polaryzacji i odwrotnie.

„Ostatecznie te badania pomagają uprościć sposób, w jaki rozumiemy świat, umożliwiając nam rozpoznanie fundamentalnych, fundamentalnych powiązań między pozornie niepowiązanymi prawami fizycznymi” – powiedział Qian. On mówi.

Badanie zostało opublikowane w Badania przeglądu fizycznego.