Theoretici ontdekken een nieuw verband tussen verstrengeling en klassieke mechanica – Physics World

Theoretici ontdekken een nieuw verband tussen verstrengeling en klassieke mechanica – Physics World

Tijdstempel: 1 september 2023 7:00 uur

Een schilderij van Christiaan Huygens over een tekening heen van een slingeruurwerk dat handen schudt met een lichtstraal, onder het onderschrift
Natuurkundigen van het Stevens Institute of Technology gebruikten de 350 jaar oude stelling van Christiaan Huygens, die de werking van slingers en planeten verklaart, om nieuwe eigenschappen van lichtgolven te onthullen. (Met dank aan: Stevens Instituut voor Technologie)

Natuurkundigen van het Stevens Institute of Technology in New Jersey, VS, hebben een nieuw en verrassend verband gevonden tussen de golfeigenschappen van licht en de mechanische eigenschappen van puntmassa's. Hun bevindingen overbruggen de kloof tussen de klassieke mechanica en de optica van coherente golven via theorieën die 350 jaar geleden naar voren werden gebracht door de Nederlandse wiskundig natuurkundige Christiaan Huygens.

De grootste ontdekkingen van Huygens kwamen in de twee meest prominente velden van 17th-eeuwse natuurkunde: optica en mechanica. Naast andere vorderingen was hij de eerste die (in de jaren 1670) een golfbeschrijving van licht voorstelde die rekening houdt met de optische voortplanting en met belangrijke verschijnselen zoals interferentie, diffractie en polarisatie die later werden waargenomen. Hij werkte ook aan de mechanische concepten van massamiddelpunt en traagheidsmoment, de twee fundamentele eigenschappen die beschrijven hoe starre lichamen bewegen.

Xiao-Feng Qian en Misagh Izadi van de Stevens Institute of Technology's Centrum voor Quantum Science and Engineering en Department of Physics hebben nu een tot nu toe onverwachte samenhang ontdekt tussen deze verschillende delen van Huygens' werk. Ze deden dit door twee optische coherentie-eigenschappen te analyseren: polarisatie, of de richting waarin golven oscilleren, en verstrengeling, wat in een niet-kwantumcontext kan worden gezien als een unieke vorm van golfcorrelatie. Ze toonden aan dat deze twee eigenschappen kwantitatief gerelateerd zijn aan het massamiddelpunt en het traagheidsmoment via de zogenaamde Huygens-Steiner-stelling voor starre lichaamsrotatie.

Parallelle assen

De stelling van Huygens-Steiner, ook bekend als de stelling van de parallelle as, stelt dat in een star lichaam het traagheidsmoment rond elke as altijd groter is dan of gelijk is aan het traagheidsmoment rond een evenwijdige as die door het massamiddelpunt gaat. Er wordt ook gesteld dat het verschil tussen deze twee traagheidsmomenten recht evenredig is met de loodrechte afstand tussen de twee assen.

In hun onderzoek, dat wordt beschreven in Fysiek beoordelingsonderzoekQian en Izadi gebruikten een geometrische mappingprocedure om de intensiteit van lichtgolven om te zetten in mechanische puntmassa's. Door de intensiteit van een lichtgolf te interpreteren als het equivalent van de massa van een fysiek object, konden ze deze intensiteiten in kaart brengen op een coördinatensysteem dat kon worden geïnterpreteerd met behulp van de mechanische stelling van Huygens-Steiner.

“De stelling van Huygens-Steiner legt een kwantitatieve relatie vast tussen traagheidsmomenten en de afstand tussen de parallelle assen”, legt Qian uit. “We hebben een kwantitatieve verbinding van de afstand van de assen tot stand gebracht met optische concepten van verstrengeling en polarisatiecoherentie. De stelling dient dus als een brug om traagheidsmomenten te verbinden met optische verstrengeling en polarisatie.”

Een verrassend verband

Dat zo’n verband bestaat is verrassend, voegt Qian toe: “Een golf is een fysiek systeem dat zich verspreidt (het heeft geen specifieke locatie) en een deeltje (dat als een star object kan worden beschouwd) kan worden gelokaliseerd op een bepaald punt. punt. Golfoptica en deeltjesmechanica zijn twee totaal verschillende natuurkundige verschijnselen, dus de kwantitatieve relatie die we hebben vastgesteld is onverwacht.”

Hoewel het verband nog niet eerder was aangetoond, wordt het heel duidelijk als je de eigenschappen van licht in kaart brengt in een mechanisch systeem, zegt hij. “Wat ooit abstract was, wordt concreet: met behulp van mechanische vergelijkingen kun je letterlijk de afstand tussen het massamiddelpunt en andere mechanische punten meten om te laten zien hoe verschillende eigenschappen van licht zich tot elkaar verhouden.”

Hoewel het werk theoretisch is, verwachten Qian en Izadi dat de kwantitatieve relatie die ze ontdekten zou kunnen helpen bij het ontwikkelen van procedures waarin mechanische massa's het gedrag van lichtgolfverstrengeling zouden kunnen simuleren. “Het meten van verstrengeling (en polarisatie) vereist doorgaans complexe en kostbare technieken”, legt Qian uit. “Het simuleren ervan door het mechanische massamiddelpunt en het traagheidsmoment te meten zal veel eenvoudiger en economischer zijn.

“We weten al meer dan een eeuw dat licht zich soms als een golf gedraagt, en soms als een deeltje, maar het is uiterst moeilijk gebleken om deze twee raamwerken met elkaar te verzoenen”, voegt hij eraan toe. “Ons werk lost dat probleem niet op – maar het laat wel zien dat er diepgaande verbanden bestaan ​​tussen golf- en deeltjesconcepten, niet alleen op kwantumniveau, maar ook op het niveau van klassieke lichtgolven en puntmassasystemen.”

Het Stevens-team onderzoekt nu de kwantitatieve verbanden tussen kwantumverstrengeling en klassieke mechanische puntmassasystemen. “We hebben al een aantal belangrijke resultaten behaald en verwachten in de toekomst nog meer onverwachte resultaten”, vertelt Qian Natuurkunde wereld.

Zij rapporteren hun huidige werk in Fysiek beoordelingsonderzoek.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld