Des théoriciens découvrent un nouveau lien entre l’intrication et la mécanique classique – Physics World

Des théoriciens découvrent un nouveau lien entre l’intrication et la mécanique classique – Physics World

Horodatage: 1 septembre 2023 7:00 AM

Une peinture de Christiaan Huygens superposée à un dessin représentant une horloge à pendule serrant la main d'un faisceau lumineux, sous la légende
Les physiciens du Stevens Institute of Technology ont utilisé le théorème de Christiaan Huygens, vieux de 350 ans, qui explique le fonctionnement des pendules et des planètes, pour révéler de nouvelles propriétés des ondes lumineuses. (Avec l'aimable autorisation de l'Institut de technologie Stevens)

Des physiciens du Stevens Institute of Technology du New Jersey, aux États-Unis, ont découvert un lien nouveau et surprenant entre les propriétés ondulatoires de la lumière et les propriétés mécaniques des masses ponctuelles. Leur découverte comble le fossé entre la mécanique classique et l'optique des ondes cohérentes via les théories avancées il y a 350 ans par le physicien mathématicien néerlandais Christiaan Huygens.

Les plus grandes découvertes de Huygens ont eu lieu dans les deux domaines les plus importants du 17thPhysique du XVIIIe siècle : optique et mécanique. Entre autres avancées, il fut le premier à proposer (dans les années 1670) une description ondulatoire de la lumière qui rend compte de la propagation optique ainsi que de phénomènes importants tels que l'interférence, la diffraction et la polarisation observés plus tard. Il a également travaillé sur les concepts mécaniques de centre de masse et de moment d'inertie, qui sont les deux propriétés fondamentales qui décrivent le mouvement des corps rigides.

Xiao Feng Qian ainsi que le Misagh Izadi des Centre pour la science et l'ingénierie quantiques du Stevens Institute of Technology et par Département de physique Aujourd'hui, nous avons découvert un lien jusqu'alors inattendu entre ces différentes parties de l'œuvre de Huygens. Pour ce faire, ils ont analysé deux propriétés de cohérence optique : la polarisation, ou la direction dans laquelle les ondes oscillent, et l'intrication, qui, dans un contexte non quantique, peut être considérée comme une forme unique de corrélation d'ondes. Ils ont montré que ces deux propriétés sont quantitativement liées au centre de masse et au moment d'inertie grâce au théorème de Huygens-Steiner pour la rotation d'un corps rigide.

Axes parallèles

Également connu sous le nom de théorème des axes parallèles, le théorème de Huygens-Steiner stipule que dans un corps rigide, le moment d'inertie autour de n'importe quel axe est toujours supérieur ou égal au moment d'inertie autour d'un axe parallèle passant par le centre de masse. Il précise également que la différence entre ces deux moments d'inertie est directement proportionnelle à la distance perpendiculaire entre les deux axes.

Dans leur étude, décrite dans Recherche sur l'examen physique, Qian et Izadi ont utilisé une procédure de cartographie géométrique pour convertir les intensités des ondes lumineuses en masses ponctuelles mécaniques. En interprétant l'intensité d'une onde lumineuse comme l'équivalent de la masse d'un objet physique, ils ont pu cartographier ces intensités sur un système de coordonnées pouvant être interprété à l'aide du théorème mécanique de Huygens-Steiner.

"Le théorème de Huygens-Steiner établit une relation quantitative entre les moments d'inertie et la distance entre les axes parallèles", explique Qian. «Nous avons établi un lien quantitatif entre la distance des axes et les concepts optiques d'intrication et de cohérence de polarisation. Le théorème sert ainsi de pont pour relier les moments d’inertie à l’intrication optique et à la polarisation.

Une connexion surprenante

Qu'une telle connexion existe est surprenant, ajoute Qian : « Une onde est un système physique qui s'étend (elle n'a pas d'emplacement spécifié) et une particule (qui peut être considérée comme un objet rigide) peut être localisée à un endroit précis. indiquer. L’optique ondulatoire et la mécanique des particules sont deux phénomènes physiques complètement différents, la relation quantitative que nous avons établie est donc inattendue.

Bien que le lien n'ait pas été démontré auparavant, il devient très clair une fois que l'on cartographie les propriétés de la lumière sur un système mécanique, dit-il. "Ce qui était autrefois abstrait devient concret : à l'aide d'équations mécaniques, vous pouvez littéralement mesurer la distance entre le centre de masse et d'autres points mécaniques pour montrer comment les différentes propriétés de la lumière sont liées les unes aux autres."

Bien que les travaux soient théoriques, Qian et Izadi s'attendent à ce que la relation quantitative qu'ils ont découverte puisse aider à développer des procédures dans lesquelles des masses mécaniques pourraient simuler le comportement de l'intrication des ondes lumineuses. "La mesure de l'intrication (et de la polarisation) nécessite généralement des techniques complexes et coûteuses", explique Qian. « Les simuler en mesurant le centre de masse mécanique et le moment d’inertie sera beaucoup plus simple et économique.

« Nous savons depuis plus d'un siècle que la lumière se comporte parfois comme une onde et parfois comme une particule, mais concilier ces deux cadres s'est avéré extrêmement difficile », ajoute-t-il. "Notre travail ne résout pas ce problème, mais il montre qu'il existe des liens profonds entre les concepts d'ondes et de particules, non seulement au niveau quantique, mais aussi au niveau des ondes lumineuses classiques et des systèmes de masse ponctuelle."

L'équipe Stevens étudie actuellement les liens quantitatifs entre l'intrication quantique et les systèmes de masse ponctuels mécaniques classiques. "Nous avons déjà obtenu des résultats clés et nous attendons d'autres résultats inattendus à l'avenir", a déclaré Qian. Monde de la physique.

Ils rapportent leur travail actuel dans Recherche sur l'examen physique.

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