نظریه پردازان پیوند جدیدی بین درهم تنیدگی و مکانیک کلاسیک کشف می کنند - دنیای فیزیک

نظریه پردازان پیوند جدیدی بین درهم تنیدگی و مکانیک کلاسیک کشف می کنند - دنیای فیزیک

تمبر زمانی: 1 سپتامبر 2023، 7:00 صبح

تابلویی از کریستیان هویگنس که بر روی طرحی از ساعت آونگی که با پرتو نور دست‌ها را تکان می‌دهد، زیر عنوان
فیزیکدانان موسسه فناوری استیونز از قضیه 350 ساله کریستیان هویگنز استفاده کردند که عملکرد آونگ ها و سیارات را توضیح می دهد تا خواص جدید امواج نور را آشکار کنند. (با احترام: موسسه فناوری استیونز)

فیزیکدانان موسسه فناوری استیونز در نیوجرسی، ایالات متحده پیوندی جدید و شگفت‌انگیز بین خواص موجی نور و خواص مکانیکی توده‌های نقطه‌ای پیدا کرده‌اند. یافته های آنها از طریق نظریه هایی که 350 سال پیش توسط فیزیکدان ریاضی هلندی کریستیان هویگنس ارائه شد، شکاف بین مکانیک کلاسیک و اپتیک امواج همدوس را پر می کند.

بزرگترین اکتشافات هویگنس در دو حوزه برجسته 17 اتفاق افتادthفیزیک قرن: اپتیک و مکانیک. در میان پیشرفت‌های دیگر، او اولین کسی بود که (در دهه 1670) توصیف موجی از نور را پیشنهاد کرد که انتشار نوری و همچنین پدیده‌های مهمی مانند تداخل، پراش و قطبش را که بعداً مشاهده شد، توضیح می‌دهد. او همچنین روی مفاهیم مکانیکی مرکز جرم و گشتاور اینرسی کار کرد که دو ویژگی اساسی هستند که چگونگی حرکت اجسام صلب را توصیف می کنند.

شیائو فنگ کیان و میثاق ایزدی از مرکز علوم و مهندسی کوانتومی موسسه فناوری استیونز و گروه فیزیک اکنون یک ارتباط غیرمنتظره بین این بخش‌های مختلف کار هویگنس کشف کرده‌اند. آنها این کار را با تجزیه و تحلیل دو ویژگی انسجام نوری انجام دادند: قطبش یا جهتی که امواج در آن نوسان می کنند و درهم تنیدگی که در یک زمینه غیر کوانتومی می توان آن را شکل منحصر به فردی از همبستگی موج در نظر گرفت. آنها نشان دادند که این دو ویژگی از طریق قضیه موسوم به هویگنز-اشتاینر برای چرخش جسم صلب، از نظر کمی با مرکز جرم و گشتاور اینرسی مرتبط هستند.

محورهای موازی

قضیه هویگنز-اشتاینر که به عنوان قضیه محور موازی نیز شناخته می‌شود، بیان می‌کند که در یک جسم صلب، گشتاور اینرسی حول هر محوری همیشه بزرگ‌تر یا برابر با ممان اینرسی حول محور موازی است که از مرکز جرم می‌گذرد. همچنین بیان می کند که تفاوت بین این دو ممان اینرسی با فاصله عمود بین دو محور نسبت مستقیم دارد.

در مطالعه آنها، که در شرح داده شده است تحقیق مروری فیزیکیکیان و ایزدی از یک روش نقشه برداری هندسی برای تبدیل شدت موج نور به جرم نقطه ای مکانیکی استفاده کردند. با تفسیر شدت موج نور به عنوان معادل جرم یک جسم فیزیکی، آنها توانستند این شدت ها را بر روی یک سیستم مختصات ترسیم کنند که می تواند با استفاده از قضیه مکانیکی هویگنز-اشتاینر تفسیر شود.

کیان توضیح می دهد: «قضیه هویگنز-اشتاینر یک رابطه کمی بین گشتاورهای اینرسی و فاصله بین محورهای موازی برقرار می کند. ما ارتباط کمی بین فاصله محورها با مفاهیم نوری درهم تنیدگی و انسجام قطبی ایجاد کرده ایم. بنابراین این قضیه به عنوان پلی برای اتصال گشتاورهای اینرسی به درهم تنیدگی و قطبش نوری عمل می کند.

یک ارتباط غافلگیر کننده

کیان می افزاید: «موج یک سیستم فیزیکی است که گسترش می یابد (محل مشخصی ندارد) و یک ذره (که می تواند به عنوان یک جسم صلب در نظر گرفته شود) می تواند در یک مکان قرار گیرد. نقطه. اپتیک موج و مکانیک ذرات دو پدیده فیزیک کاملاً متفاوت هستند، بنابراین رابطه کمی که ما ایجاد کردیم غیرمنتظره است.

او می‌گوید اگرچه این ارتباط قبلاً نشان داده نشده بود، اما زمانی که ویژگی‌های نور را بر روی یک سیستم مکانیکی ترسیم کنید، بسیار واضح می‌شود. «آنچه زمانی انتزاعی بود عینیت می‌یابد: با استفاده از معادلات مکانیکی، می‌توانید به معنای واقعی کلمه فاصله بین مرکز جرم و سایر نقاط مکانیکی را اندازه‌گیری کنید تا نشان دهید که چگونه خواص مختلف نور با یکدیگر مرتبط هستند.»

در حالی که کار نظری است، کیان و ایزدی انتظار دارند که رابطه کمی که آنها کشف کردند می تواند به توسعه روش هایی کمک کند که در آن جرم های مکانیکی می توانند رفتار درهم تنیدگی موج نور را شبیه سازی کنند. کیان توضیح می‌دهد: «اندازه‌گیری درهم تنیدگی (و قطبش) معمولاً به تکنیک‌های پیچیده و پرهزینه نیاز دارد. شبیه سازی آنها با اندازه گیری مرکز مکانیکی جرم و ممان اینرسی بسیار ساده تر و مقرون به صرفه خواهد بود.

او می‌افزاید: «ما بیش از یک قرن است که می‌دانیم نور گاهی مانند یک موج و گاهی مانند یک ذره رفتار می‌کند، اما تطبیق این دو چارچوب بسیار دشوار است. کار ما این مشکل را حل نمی کند – اما نشان می دهد که ارتباطات عمیقی بین مفاهیم موج و ذرات نه تنها در سطح کوانتومی، بلکه در سطح امواج نور کلاسیک و سیستم های جرم نقطه ای وجود دارد.

تیم استیونز اکنون در حال بررسی اتصالات کمی بین درهم تنیدگی کوانتومی و سیستم‌های جرم نقطه‌ای مکانیکی کلاسیک است. کیان می‌گوید: «ما قبلاً به نتایج کلیدی رسیده‌ایم و انتظار داریم نتایج غیرمنتظره دیگری در آینده وجود داشته باشد. دنیای فیزیک.

آنها گزارش کار فعلی خود را در تحقیق مروری فیزیکی.

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک