Теорема 350-летней давности раскрывает «глубокую» связь между свойствами света
Христиан Гюйгенс, родившийся в Голландии, вероятно, один из самых известных физиков, о которых вы никогда не слышали. Его работы в конце 17 века охватывали как нематериальные, так и материальные сферы нашей Вселенной: природу света и механику движущихся объектов.
Среди своих многочисленных вкладов Гюйгенс предложил волновую теорию света, которая привело бы к возникновению физической оптики, изучающей интерференцию, дифракцию и поляризацию света. Он также изобрел первые часы с маятником; самый точный хронометрист на протяжении почти 300 лет, вплоть до промышленной революции.
До сих пор мало что было известно о связях между этими двумя, казалось бы, несопоставимыми областями оптики и классической механики.
Два физика из Технологического института Стивенса в Нью-Джерси вновь обратились к плодотворной работе Гюйгенса о маятниках, опубликованной в 1673 году, и использовали его механическую теорему 350-летней давности, чтобы раскрыть некоторые новые связи между некоторыми из самых странных и самых загадочных явлений. фундаментальные свойства света.
«В этом первом исследовании мы ясно показали, что, применяя механические концепции, можно понять оптические системы совершенно по-новому», — говорит физик Сяофэн Цянь.
Цянь и его коллега из Института Стивенса Мисаг Изади в своих расчетах учли два свойства света: поляризацию и форму корреляции, известную как классическая, или неквантовая, запутанность.
Они два свойства отражают странную двойственность света, которая пронизывает каждый уголок нашей Вселенной. В квантовом смысле свет, как и все формы материи, можно описать как волны, распространяющиеся в пространстве, а также как дискретные частицы, локализованные в одной точке.
Однако это не просто квантовое явление. . В классическом мире шестеренок, пружин и тикающих часов световые волны поднимаются и падают, как физическая рябь на неосязаемом океане, свойства которых связаны с их постоянно меняющимся продвижением в пространстве.
«Мы уже более века известно, что свет иногда ведет себя как волна, а иногда как частица, но согласовать эти две концепции оказалось чрезвычайно сложно», — сказал Цянь.
«Наша работа не решает эту проблему — но это действительно показывает, что существуют глубокие связи между концепциями волн и частиц не только на квантовом уровне, но и на уровне классических световых волн и систем точечной массы».
Чаще всего считается квантовым явлением. Запутанность просто описывает корреляции в свойствах объектов.
Для частиц это могут быть спины электронов, импульс или положение пары фотонов. Зная что-то об одной из этих характеристик для одной частицы, вы узнаете что-то об этой же характеристике для другой.
Классическая запутанность также описывает определенные корреляции, только без необходимости учитывать неустановленную природу объекта до его появления. измерение.
Поляризация — это свойство направления световой волны, колеблющейся вверх и вниз или влево и вправо. Частицы, такие как фотоны, пакеты энергии, составляющие луч света, также могут быть поляризованы.
Если световая волна колеблется, и маятник тоже колеблется, то Цянь и Изади подумали, что они могли бы быть в состоянии использовать механику последней для описания свойств первой.
«По сути, мы нашли способ перевести оптическую систему так, чтобы мы могли визуализировать ее как механическую систему, а затем описать ее, используя хорошо зарекомендовавшие себя методы. физические уравнения», — объясняет Цянь.
Обычно классическая механика используется для описания движения больших физических объектов, таких как маятники и планеты. Например, теорема Гюйгенса о параллельной оси описывает взаимосвязь между массами и их вращательным моментом.
Цянь и Изади рассматривали свет как механическую систему, к которой можно было применить теорему Гюйгенса о параллельной оси, и обнаружили «глубокую закономерность». Связь: степень поляризации световой волны была напрямую связана со степенью недавно признанного свойства, называемого запутыванием в векторном пространстве.
Расчеты Цяня и Изади предполагают, что по мере того, как одна возрастает, другая падает, что позволяет уровень запутанности можно вывести непосредственно из уровня поляризации, и наоборот.
«В конечном счете, это исследование помогает упростить наше понимание мира, позволяя нам распознать внутренние глубинные связи между очевидно, несвязанные между собой физические законы», — говорит Цянь.
Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Research.
