Teoreetikot löytävät uuden yhteyden takertumisen ja klassisen mekaniikan välillä – Physics World

Teoreetikot löytävät uuden yhteyden takertumisen ja klassisen mekaniikan välillä – Physics World

Aikaleima: 1. syyskuuta 2023 7

Kuvatekstin alla on maalaus Christiaan Huygensista, joka on piirroksen päällä heilurikellosta, joka ravistaa kättä valonsäteellä
Stevens Institute of Technologyn fyysikot käyttivät Christiaan Huygensin 350 vuotta vanhaa lausetta, joka selittää heilurien ja planeettojen toiminnan, paljastaakseen valoaaltojen uusia ominaisuuksia. (Lupa: Stevens Institute of Technology)

Fyysikot Stevens Institute of Technologysta New Jerseyssä, Yhdysvalloissa, ovat löytäneet uuden ja yllättävän yhteyden valon aaltoominaisuuksien ja pistemassojen mekaanisten ominaisuuksien välillä. Heidän löytönsä muodostaa sillan klassisen mekaniikan ja koherenttien aaltojen optiikan välillä hollantilaisen matemaattisen fyysikon Christiaan Huygensin 350 vuotta sitten esittämien teorioiden avulla.

Huygensin suurimmat löydöt tehtiin 17:n kahdella näkyvimmällä alallath- vuosisadan fysiikka: optiikka ja mekaniikka. Muiden edistysten joukossa hän oli ensimmäinen, joka ehdotti (1670-luvulla) valon aaltokuvausta, joka ottaa huomioon optisen etenemisen sekä myöhemmin havaitut tärkeät ilmiöt, kuten häiriöt, diffraktio ja polarisaatio. Hän työskenteli myös massakeskuksen ja hitausmomentin mekaanisten käsitteiden parissa, jotka ovat kaksi perusominaisuutta, jotka kuvaavat jäykkien kappaleiden liikkumista.

Xiao-Feng Qian ja Misagh Izadi että Stevens Institute of Technologyn kvanttitieteen ja tekniikan keskus ja Fysiikan laitos ovat nyt löytäneet tähän asti odottamattoman yhteyden näiden Huygensin työn eri osien välillä. He tekivät tämän analysoimalla kahta optisen koherenssin ominaisuutta: polarisaatiota eli suuntaa, jossa aallot värähtelevät, ja takertumista, jota voidaan ei-kvanttikontekstissa pitää ainutlaatuisena aaltokorrelaation muotona. He osoittivat, että nämä kaksi ominaisuutta liittyvät kvantitatiivisesti massakeskipisteeseen ja hitausmomenttiin niin kutsutun Huygens-Steinerin teoreeman avulla jäykän kappaleen pyörimisestä.

Rinnakkaiset akselit

Huygens-Steinerin teoreema, joka tunnetaan myös rinnakkaisten akselien lauseena, sanoo, että jäykässä kappaleessa hitausmomentti minkä tahansa akselin ympäri on aina suurempi tai yhtä suuri kuin hitausmomentti massakeskuksen läpi kulkevan yhdensuuntaisen akselin ympärillä. Siinä todetaan myös, että näiden kahden hitausmomentin välinen ero on suoraan verrannollinen kahden akselin väliseen kohtisuoraan etäisyyteen.

Heidän tutkimuksessaan, joka on kuvattu kohdassa Fyysisen tarkastelun tutkimus, Qian ja Izadi käyttivät geometristä kartoitusmenettelyä valoaaltojen intensiteettien muuntamiseksi mekaanisiksi pistemassoiksi. Tulkiessaan valoaallon intensiteetin fyysisen kohteen massaa vastaavaksi he pystyivät kartoittaa nämä intensiteetit koordinaattijärjestelmään, joka voidaan tulkita käyttämällä Huygens-Steinerin mekaanista teoreemaa.

"Huygens-Steinerin teoreema luo kvantitatiivisen suhteen hitausmomenttien ja yhdensuuntaisten akselien välisen etäisyyden välille", Qian selittää. ”Olemme luoneet kvantitatiivisen yhteyden akselien etäisyydelle optisiin sotkeutumis- ja polarisaatiokoherenssikäsitteisiin. Lause toimii siten siltana, joka yhdistää hitausmomentit optiseen sotkeutumiseen ja polarisaatioon.

Yllättävä yhteys

Se, että tällainen yhteys on olemassa, on yllättävää, Qian lisää: "Aalto on fyysinen järjestelmä, joka leviää (sillä ei ole määritettyä sijaintia) ja hiukkanen (jota voidaan pitää jäykänä esineenä) voidaan paikantaa kohta. Aaltooptiikka ja hiukkasmekaniikka ovat kaksi täysin erilaista fysiikan ilmiötä, joten luomamme kvantitatiivinen suhde on odottamaton."

Vaikka yhteyttä ei ollut aiemmin osoitettu, se käy hyvin selväksi, kun kartoitetaan valon ominaisuudet mekaaniseen järjestelmään, hän sanoo. "Aiemmin abstraktista tulee konkreettista: mekaanisten yhtälöiden avulla voit kirjaimellisesti mitata massakeskipisteen ja muiden mekaanisten pisteiden välisen etäisyyden näyttääksesi kuinka valon eri ominaisuudet liittyvät toisiinsa."

Vaikka työ on teoreettista, Qian ja Izadi odottavat, että heidän löytämänsä kvantitatiivinen suhde voisi auttaa kehittämään menetelmiä, joissa mekaaniset massat voisivat simuloida valoaaltojen kietoutumisen käyttäytymistä. "Ketkeytymisen (ja polarisaation) mittaaminen vaatii tyypillisesti monimutkaisia ​​ja kalliita tekniikoita", Qian selittää. ”Niiden simulointi mittaamalla mekaaninen massakeskipiste ja hitausmomentti on paljon helpompaa ja taloudellisempaa.

"Olemme tienneet yli vuosisadan ajan, että valo käyttäytyy toisinaan aallon tavoin ja toisinaan hiukkasen tavoin, mutta näiden kahden kehyksen yhteensovittaminen on osoittautunut erittäin vaikeaksi", hän lisää. "Työmme ei ratkaise tätä ongelmaa - mutta se osoittaa, että aalto- ja hiukkaskäsitteiden välillä on syvällisiä yhteyksiä ei vain kvanttitasolla, vaan klassisten valoaaltojen ja pistemassajärjestelmien tasolla."

Stevens-tiimi tutkii nyt kvantitatiivisia yhteyksiä kvanttisekoittumisen ja klassisten mekaanisten pistemassajärjestelmien välillä. "Olemme jo saaneet tärkeitä tuloksia ja odotamme lisää odottamattomia tuloksia tulevaisuudessa", Qian kertoo Fysiikan maailma.

He raportoivat nykyisestä työstään Fyysisen tarkastelun tutkimus.

Aikaleima:

Lisää aiheesta Fysiikan maailma