A teoretikusok új kapcsolatot fedeznek fel az összefonódás és a klasszikus mechanika között – a fizika világa

A teoretikusok új kapcsolatot fedeznek fel az összefonódás és a klasszikus mechanika között – a fizika világa

Időbélyeg: 1. szeptember 2023. 7:00

Christiaan Huygens festménye egy fénysugárral kezet rázó ingaóra rajza fölé, a felirat alatt
A Stevens Institute of Technology fizikusai Christiaan Huygens 350 éves tételét használták, amely megmagyarázza az ingák és a bolygók működését, hogy felfedjék a fényhullámok új tulajdonságait. (Jóvolt: Stevens Institute of Technology)

A New Jersey állambeli Stevens Institute of Technology fizikusai új és meglepő kapcsolatot találtak a fény hullámtulajdonságai és a ponttömegek mechanikai tulajdonságai között. Megállapításuk áthidalja a szakadékot a klasszikus mechanika és a koherens hullámok optikája között Christiaan Huygens holland matematikus fizikus 350 évvel ezelőtti elméletein keresztül.

Huygens legnagyobb felfedezései a 17 két legjelentősebb területén történtekth-századi fizika: optika és mechanika. Többek között ő volt az első, aki (az 1670-es években) javasolta a fény hullámos leírását, amely figyelembe veszi az optikai terjedést, valamint a később megfigyelt fontos jelenségeket, mint például az interferencia, a diffrakció és a polarizáció. Dolgozott a tömegközéppont és a tehetetlenségi nyomaték mechanikai fogalmain is, amelyek a merev testek mozgását leíró két alapvető tulajdonság.

Xiao-Feng Qian és a Misagh Izadi az Stevens Institute of Technology Kvantumtudományi és Mérnöki Központja és a Fizikai Tanszék mostanáig váratlan kapcsolatot fedeztek fel Huygens munkájának e különböző részei között. Ezt két optikai koherencia-tulajdonság elemzésével tették: a polarizációt, vagyis a hullámok rezgésének irányát és az összefonódást, amely nem kvantum kontextusban a hullámkorreláció egyedi formájának tekinthető. Megmutatták, hogy ez a két tulajdonság mennyiségileg összefügg a tömegközépponttal és a tehetetlenségi nyomatékkal az úgynevezett Huygens-Steiner-tételen keresztül a merev test forgására.

Párhuzamos tengelyek

A párhuzamos tengely tételeként is ismert Huygens-Steiner tétel kimondja, hogy egy merev testben a tehetetlenségi nyomaték bármely tengely körül mindig nagyobb vagy egyenlő, mint a tömegközépponton átmenő párhuzamos tengely körüli tehetetlenségi nyomaték. Azt is kimondja, hogy a két tehetetlenségi nyomaték közötti különbség egyenesen arányos a két tengely közötti merőleges távolsággal.

Tanulmányukban, amelyet a Fizikai áttekintés kutatás, Qian és Izadi egy geometriai leképezési eljárást használt a fényhullámok intenzitásának mechanikai ponttömegekké alakítására. A fényhullám intenzitását egy fizikai objektum tömegének megfelelőként értelmezve ezeket az intenzitásokat egy koordinátarendszerre tudták leképezni, amely a Huygens-Steiner mechanikai tétellel értelmezhető.

„A Huygens-Steiner-tétel kvantitatív összefüggést hoz létre a tehetetlenségi nyomatékok és a párhuzamos tengelyek közötti távolság között” – magyarázza Qian. „A tengelyek távolságának kvantitatív összefüggését hoztuk létre az összefonódás és a polarizációs koherencia optikai fogalmaival. A tétel tehát hídként szolgál a tehetetlenségi nyomatékoknak az optikai összefonódáshoz és a polarizációhoz való összekapcsolásához.

Meglepő kapcsolat

Meglepő, hogy ilyen kapcsolat létezik, Qian hozzáteszi: „A hullám egy fizikai rendszer, amely szétterül (nincs meghatározott helye), és egy részecske (amely merev objektumnak tekinthető) egy helyen lokalizálható. pont. A hullámoptika és a részecskemechanika két teljesen különböző fizikai jelenség, így az általunk felállított mennyiségi összefüggés váratlan.”

Bár az összefüggést korábban nem mutatták ki, nagyon világossá válik, ha a fény tulajdonságait leképezi egy mechanikai rendszerre, mondja. "Ami egykor absztrakt volt, az konkréttá válik: mechanikai egyenletek segítségével szó szerint megmérheti a tömegközéppont és más mechanikai pontok közötti távolságot, hogy megmutassa, hogyan viszonyulnak egymáshoz a fény különböző tulajdonságai."

Bár a munka elméleti, Qian és Izadi arra számít, hogy az általuk felfedezett mennyiségi összefüggés segíthet olyan eljárások kidolgozásában, amelyekben a mechanikai tömegek szimulálhatják a fényhullámok összefonódásának viselkedését. "Az összefonódás (és a polarizáció) mérése általában bonyolult és költséges technikákat igényel" - magyarázza Qian. „Sokkal egyszerűbb és gazdaságosabb lesz szimulálni őket a mechanikai tömegközéppont és a tehetetlenségi nyomaték mérésével.

„Több mint egy évszázada tudjuk, hogy a fény néha hullámként, néha pedig részecskeként viselkedik, de e két keretrendszer összeegyeztetése rendkívül nehéznek bizonyult” – teszi hozzá. "Munkánk nem oldja meg ezt a problémát, de azt mutatja, hogy a hullám- és részecskefogalmak között nem csak kvantumszinten, hanem a klasszikus fényhullámok és a ponttömeg-rendszerek szintjén is mélyreható összefüggések vannak."

A Stevens-csapat jelenleg a kvantitatív összefonódás és a klasszikus mechanikus ponttömeg-rendszerek közötti kvantitatív összefüggéseket vizsgálja. „Már elértünk néhány kulcsfontosságú eredményt, és a jövőben további váratlan eredményekre számíthatunk” – mondja Qian Fizika Világa.

Jelen munkájukról ben számolnak be Fizikai áttekintés kutatás.

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa