I teorici scoprono un nuovo legame tra entanglement e meccanica classica – Physics World

I teorici scoprono un nuovo legame tra entanglement e meccanica classica – Physics World

Timestamp: 1 settembre 2023 7:00

Un dipinto di Christiaan Huygens sovrapposto al disegno di un orologio a pendolo che stringe la mano con un fascio di luce, sotto la didascalia
I fisici dello Stevens Institute of Technology hanno utilizzato il teorema di Christiaan Huygens, vecchio di 350 anni, che spiega il funzionamento dei pendoli e dei pianeti, per rivelare nuove proprietà delle onde luminose. (Per gentile concessione: Stevens Institute of Technology)

I fisici dello Stevens Institute of Technology nel New Jersey, negli Stati Uniti, hanno scoperto un nuovo e sorprendente legame tra le proprietà ondulatorie della luce e le proprietà meccaniche delle masse puntiformi. La loro scoperta colma il divario tra la meccanica classica e l’ottica delle onde coerenti attraverso le teorie avanzate 350 anni fa dal fisico matematico olandese Christiaan Huygens.

Le più grandi scoperte di Huygens sono avvenute nei due campi più importanti dei 17thFisica del Duecento: ottica e meccanica. Tra gli altri progressi, fu il primo a proporre (nel 1670) una descrizione ondulatoria della luce che tiene conto della propagazione ottica nonché di importanti fenomeni come interferenza, diffrazione e polarizzazione che furono osservati successivamente. Lavorò anche sui concetti meccanici di centro di massa e momento di inerzia, che sono le due proprietà fondamentali che descrivono il movimento dei corpi rigidi.

Xiao-Feng Qian ed Misagh Izadi della Centro per la scienza e l'ingegneria quantistica dello Stevens Institute of Technology e la Dipartimento di Fisica hanno ora scoperto una connessione finora inaspettata tra queste diverse parti del lavoro di Huygens. Lo hanno fatto analizzando due proprietà di coerenza ottica: la polarizzazione, o la direzione in cui oscillano le onde, e l’entanglement, che in un contesto non quantistico può essere pensato come una forma unica di correlazione delle onde. Hanno dimostrato che queste due proprietà sono legate quantitativamente al centro di massa e al momento d'inerzia attraverso il cosiddetto teorema di Huygens-Steiner per la rotazione del corpo rigido.

Assi paralleli

Conosciuto anche come teorema degli assi paralleli, il teorema di Huygens-Steiner afferma che in un corpo rigido, il momento di inerzia attorno a qualsiasi asse è sempre maggiore o uguale al momento di inerzia attorno a un asse parallelo passante per il centro di massa. Si afferma inoltre che la differenza tra questi due momenti di inerzia è direttamente proporzionale alla distanza perpendicolare tra i due assi.

Nel loro studio, descritto in Ricerca di revisione fisica, Qian e Izadi hanno utilizzato una procedura di mappatura geometrica per convertire le intensità delle onde luminose in masse puntiformi meccaniche. Interpretando l'intensità di un'onda luminosa come l'equivalente della massa di un oggetto fisico, sono stati in grado di mappare queste intensità su un sistema di coordinate che poteva essere interpretato utilizzando il teorema meccanico di Huygens-Steiner.

“Il teorema di Huygens-Steiner stabilisce una relazione quantitativa tra i momenti di inerzia e la distanza tra gli assi paralleli”, spiega Qian. “Abbiamo stabilito una connessione quantitativa della distanza degli assi con i concetti ottici di entanglement e coerenza di polarizzazione. Il teorema funge quindi da ponte per collegare i momenti di inerzia all’entanglement ottico e alla polarizzazione”.

Una connessione sorprendente

Che tale connessione esista è sorprendente, aggiunge Qian: “Un'onda è un sistema fisico che si espande (non ha una posizione specifica) e una particella (che può essere considerata un oggetto rigido) può essere localizzata in un punto punto. L’ottica ondulatoria e la meccanica delle particelle sono due fenomeni fisici completamente diversi, quindi la relazione quantitativa che abbiamo stabilito è inaspettata”.

Sebbene il collegamento non fosse mai stato dimostrato prima, diventa molto chiaro una volta che si mappano le proprietà della luce su un sistema meccanico, dice. "Ciò che una volta era astratto diventa concreto: utilizzando equazioni meccaniche, puoi letteralmente misurare la distanza tra il centro di massa e altri punti meccanici per mostrare come le diverse proprietà della luce sono correlate tra loro."

Sebbene il lavoro sia teorico, Qian e Izadi si aspettano che la relazione quantitativa da loro scoperta possa aiutare a sviluppare procedure in cui le masse meccaniche potrebbero simulare il comportamento dell’entanglement delle onde luminose. “Misurare l’entanglement (e la polarizzazione) richiede in genere tecniche complesse e costose”, spiega Qian. “Simularli misurando il centro di massa meccanico e il momento di inerzia sarà molto più semplice ed economico.

"Sappiamo da oltre un secolo che la luce a volte si comporta come un'onda e talvolta come una particella, ma conciliare questi due sistemi si è rivelato estremamente difficile", aggiunge. “Il nostro lavoro non risolve questo problema, ma mostra che esistono connessioni profonde tra i concetti di onda e particella non solo a livello quantistico, ma a livello delle onde luminose classiche e dei sistemi puntiformi”.

Il team di Stevens sta ora studiando le connessioni quantitative tra l’entanglement quantistico e i classici sistemi meccanici di punti di massa. "Abbiamo già ottenuto alcuni risultati chiave e ci aspettiamo ulteriori risultati inaspettati in futuro", dice Qian Mondo della fisica.

Riportano il loro lavoro attuale in Ricerca di revisione fisica.

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