Teoreetikud avastavad uue seose takerdumise ja klassikalise mehaanika vahel – füüsikamaailm

Teoreetikud avastavad uue seose takerdumise ja klassikalise mehaanika vahel – füüsikamaailm

Ajatempel: 1. september 2023 7:00

Maal Christiaan Huygensist valguskiirega kätt raputava pendelkella joonise kohal pealkirja all
Stevensi Tehnoloogiainstituudi füüsikud kasutasid valguslainete uute omaduste paljastamiseks Christiaan Huygensi 350-aastast teoreemi, mis selgitab pendlite ja planeetide toimimist. (Viisakalt: Stevensi tehnoloogiainstituut)

USA New Jerseys asuva Stevensi tehnoloogiainstituudi füüsikud on leidnud uue ja üllatava seose valguse laineliste omaduste ja punktmasside mehaaniliste omaduste vahel. Nende leid ületab lõhe klassikalise mehaanika ja koherentsete lainete optika vahel Hollandi matemaatikafüüsiku Christiaan Huygensi 350 aastat tagasi esitatud teooriate kaudu.

Huygensi suurimad avastused tehti kahes kõige silmapaistvamas valdkonnas 17th-sajandi füüsika: optika ja mehaanika. Muude edusammude hulgas oli ta esimene, kes pakkus (1670. aastatel) välja valguse lainekirjelduse, mis arvestab nii optilist levikut kui ka hiljem täheldatud olulisi nähtusi, nagu interferents, difraktsioon ja polarisatsioon. Ta töötas ka massikeskme ja inertsmomendi mehaaniliste kontseptsioonide kallal, mis on kaks põhiomadust, mis kirjeldavad jäikade kehade liikumist.

Xiao-Feng Qian ja Misagh Izadi Euroopa Stevensi Tehnoloogiainstituudi kvantteaduse ja tehnika keskus ja Füüsika osakond on nüüd avastanud seni ootamatu seose nende Huygensi loomingu erinevate osade vahel. Nad tegid seda, analüüsides kahte optilise koherentsuse omadust: polarisatsiooni ehk lainete võnkumise suunda ja takerdumist, mida mittekvantilises kontekstis võib pidada lainekorrelatsiooni ainulaadseks vormiks. Nad näitasid, et need kaks omadust on kvantitatiivselt seotud massikeskme ja inertsmomendiga nn Huygensi-Steineri teoreemi abil jäiga keha pöörlemise kohta.

Paralleelteljed

Tuntud ka kui paralleeltelje teoreem, väidab Huygensi-Steineri teoreem, et jäiga keha puhul on inertsmoment mis tahes telje ümber alati suurem või võrdne inertsmomendiga massikeskpunkti läbiva paralleeltelje ümber. Samuti öeldakse, et erinevus nende kahe inertsimomendi vahel on otseselt võrdeline kahe telje vahelise risti kaugusega.

Nende uuringus, mida on kirjeldatud aastal Füüsilise ülevaate uurimine, Qian ja Izadi kasutasid geomeetrilise kaardistamise protseduuri valguslainete intensiivsuse teisendamiseks mehaanilisteks punktmassideks. Tõlgendades valguslaine intensiivsust füüsilise objekti massi ekvivalendina, suutsid nad need intensiivsused kaardistada koordinaatsüsteemiga, mida saab tõlgendada Huygensi-Steineri mehaanilise teoreemi abil.

"Huygensi-Steineri teoreem loob kvantitatiivse seose inertsimomentide ja paralleeltelgede vahelise kauguse vahel, " selgitab Qian. "Oleme loonud telgede kauguse kvantitatiivse seose takerdumise ja polarisatsiooni sidususe optiliste kontseptsioonidega. See teoreem toimib seega sillana, mis ühendab inertsmomente optilise takerdumise ja polarisatsiooniga.

Üllatav seos

See, et selline seos peaks eksisteerima, on üllatav, lisab Qian: "Laine on füüsiline süsteem, mis levib laiali (sellel pole kindlat asukohta) ja osake (mida võib pidada jäigaks objektiks) saab lokaliseerida punkt. Laineoptika ja osakeste mehaanika on kaks täiesti erinevat füüsikanähtust, nii et meie loodud kvantitatiivne seos on ootamatu.

Kuigi seost polnud varem näidatud, saab see väga selgeks, kui kaardistate valguse omadused mehaanilisele süsteemile, ütleb ta. "See, mis oli kunagi abstraktne, muutub konkreetseks: mehaaniliste võrrandite abil saate sõna otseses mõttes mõõta kaugust massikeskme ja muude mehaaniliste punktide vahel, et näidata, kuidas erinevad valguse omadused on üksteisega seotud."

Kuigi töö on teoreetiline, eeldavad Qian ja Izadi, et nende avastatud kvantitatiivne seos võib aidata välja töötada protseduure, milles mehaanilised massid võiksid simuleerida valguslainete takerdumise käitumist. "Põimumise (ja polarisatsiooni) mõõtmine nõuab tavaliselt keerulisi ja kulukaid tehnikaid, " selgitab Qian. "Nende simuleerimine mehaanilise massikeskme ja inertsmomendi mõõtmisega on palju lihtsam ja säästlikum.

"Oleme juba üle sajandi teadnud, et valgus käitub mõnikord nagu laine ja mõnikord nagu osake, kuid nende kahe raamistiku ühitamine on osutunud äärmiselt keeruliseks," lisab ta. "Meie töö seda probleemi ei lahenda, kuid see näitab, et lainete ja osakeste kontseptsioonide vahel on sügavad seosed mitte ainult kvanttasandil, vaid ka klassikaliste valguslainete ja punktmassisüsteemide tasandil."

Stevensi meeskond uurib nüüd kvantitatiivseid seoseid kvantpõimumise ja klassikaliste mehaaniliste punktmassisüsteemide vahel. "Oleme juba saavutanud mõned olulised tulemused ja ootame tulevikus veel ootamatuid tulemusi," ütleb Qian Füüsika maailm.

Nad teatavad oma praegusest tööst aastal Füüsilise ülevaate uurimine.

Ajatempel:

Veel alates Füüsika maailm