Teoretikere avdekker ny kobling mellom sammenfiltring og klassisk mekanikk – Physics World

Teoretikere avdekker ny kobling mellom sammenfiltring og klassisk mekanikk – Physics World

Tidsstempel: 1. september 2023 7

Et maleri av Christiaan Huygens lagt over en tegning av en pendelklokke som håndhilser med en lysstråle, under bildeteksten
Fysikere ved Stevens Institute of Technology brukte Christiaan Huygens' 350 år gamle teorem, som forklarer hvordan pendler og planeter fungerer, for å avsløre nye egenskaper til lysbølger. (Med tillatelse: Stevens Institute of Technology)

Fysikere ved Stevens Institute of Technology i New Jersey, USA har funnet en ny og overraskende sammenheng mellom bølgeegenskapene til lys og de mekaniske egenskapene til punktmasser. Funnet deres bygger bro mellom klassisk mekanikk og optikken til koherente bølger via teorier fremsatt for 350 år siden av den nederlandske matematiske fysikeren Christiaan Huygens.

Huygens største funn kom i de to mest fremtredende feltene på 17thårhundres fysikk: optikk og mekanikk. Blant andre fremskritt var han den første som foreslo (på 1670-tallet) en bølgebeskrivelse av lys som redegjør for optisk forplantning så vel som viktige fenomener som interferens, diffraksjon og polarisering som ble observert senere. Han arbeidet også med de mekaniske begrepene massesenter og treghetsmoment, som er de to grunnleggende egenskapene som beskriver hvordan stive legemer beveger seg.

Xiao-Feng Qian og Misagh Izadi av Stevens Institute of Technologys senter for kvantevitenskap og ingeniørvitenskap og Institutt for fysikk har nå oppdaget en hittil uventet sammenheng mellom disse ulike delene av Huygens' verk. De gjorde dette ved å analysere to optiske koherensegenskaper: polarisering, eller retningen bølgene svinger i, og sammenfiltring, som i en ikke-kvantekontekst kan tenkes på som en unik form for bølgekorrelasjon. De viste at disse to egenskapene er kvantitativt relatert til massesenter og treghetsmoment gjennom det såkalte Huygens-Steiner-teoremet for stiv kroppsrotasjon.

Parallelle akser

Også kjent som parallellaksesetningen, heter Huygens-Steiner teoremet at i et stivt legeme er treghetsmomentet rundt en hvilken som helst akse alltid større enn eller lik treghetsmomentet rundt en parallell akse som går gjennom massesenteret. Den sier også at forskjellen mellom disse to treghetsmomentene er direkte proporsjonal med den vinkelrette avstanden mellom de to aksene.

I deres studie, som er beskrevet i Fysisk gjennomgangsforskning, Qian og Izadi brukte en geometrisk kartleggingsprosedyre for å konvertere lysbølgeintensiteter til mekaniske punktmasser. Ved å tolke intensiteten til en lysbølge som ekvivalent med massen til et fysisk objekt, var de i stand til å kartlegge disse intensitetene på et koordinatsystem som kunne tolkes ved hjelp av Huygens-Steiners mekaniske teoremet.

"Huygens-Steiner-teoremet etablerer et kvantitativt forhold mellom treghetsmomenter og avstanden mellom de parallelle aksene," forklarer Qian. «Vi har etablert en kvantitativ sammenheng mellom aksenes avstand med optiske begreper om sammenfiltring og polarisasjonskoherens. Teoremet fungerer dermed som en bro for å koble treghetsmomenter til optisk sammenfiltring og polarisering."

En overraskende sammenheng

At en slik forbindelse skulle eksistere er overraskende, legger Qian til: «En bølge er et fysisk system som sprer seg ut (den har ikke en spesifisert plassering) og en partikkel (som kan betraktes som et stivt objekt) kan lokaliseres ved en punkt. Bølgeoptikk og partikkelmekanikk er to helt forskjellige fysikkfenomener, så den kvantitative relasjonen vi har etablert er uventet."

Selv om sammenhengen ikke var vist før, blir det veldig tydelig når man kartlegger lysets egenskaper inn i et mekanisk system, sier han. "Det som en gang var abstrakt blir konkret: ved hjelp av mekaniske ligninger kan du bokstavelig talt måle avstanden mellom massesenteret og andre mekaniske punkter for å vise hvordan forskjellige egenskaper til lys relaterer seg til hverandre."

Mens arbeidet er teoretisk, forventer Qian og Izadi at den kvantitative relasjonen de oppdaget kan bidra til å utvikle prosedyrer der mekaniske masser kan simulere oppførselen til lysbølgesammenfiltring. "Å måle sammenfiltring (og polarisering) krever vanligvis komplekse og kostbare teknikker," forklarer Qian. «Å simulere dem ved å måle det mekaniske massesenteret og treghetsmomentet vil være mye enklere og økonomisk.

"Vi har visst i over et århundre at lys noen ganger oppfører seg som en bølge, og noen ganger som en partikkel, men å forene disse to rammene har vist seg ekstremt vanskelig," legger han til. "Vårt arbeid løser ikke det problemet - men det viser at det er dype forbindelser mellom bølge- og partikkelkonsepter, ikke bare på kvantenivå, men på nivå med klassiske lysbølger og punktmassesystemer."

Stevens-teamet undersøker nå de kvantitative sammenhengene mellom kvantesammenfiltring og klassiske mekaniske punktmassesystemer. "Vi har allerede oppnådd noen nøkkelresultater og forventer noen ytterligere uventede resultater i fremtiden," forteller Qian Fysikkens verden.

De rapporterer sitt nåværende arbeid i Fysisk gjennomgangsforskning.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden