Teoreticienii descoperă o nouă legătură între încurcătură și mecanica clasică – Lumea Fizicii

Teoreticienii descoperă o nouă legătură între încurcătură și mecanica clasică – Lumea Fizicii

Marca temporală: 1 septembrie 2023, ora 7:00

O pictură a lui Christiaan Huygens suprapusă peste un desen al unui ceas cu pendul care dă mâna cu un fascicul de lumină, sub legenda
Fizicienii de la Stevens Institute of Technology au folosit teorema veche de 350 de ani a lui Christiaan Huygens, care explică funcționarea pendulelor și planetelor, pentru a dezvălui noi proprietăți ale undelor luminoase. (Cu amabilitatea: Stevens Institute of Technology)

Fizicienii de la Stevens Institute of Technology din New Jersey, SUA au descoperit o legătură nouă și surprinzătoare între proprietățile undei ale luminii și proprietățile mecanice ale maselor punctuale. Descoperirea lor face o punte între mecanica clasică și optica undelor coerente prin intermediul teoriilor prezentate în urmă cu 350 de ani de fizicianul matematician olandez Christiaan Huygens.

Cele mai mari descoperiri ale lui Huygens au venit în cele mai proeminente două domenii din 17th-fizica secolului: optica si mecanica. Printre alte progrese, el a fost primul care a propus (în anii 1670) o descriere a undelor luminii care ține cont de propagarea optică, precum și de fenomene importante precum interferența, difracția și polarizarea care au fost observate mai târziu. De asemenea, a lucrat la conceptele mecanice de centru de masă și moment de inerție, care sunt cele două proprietăți fundamentale care descriu modul în care corpurile rigide se mișcă.

Xiao-Feng Qian și Misagh Izadi a Centrul pentru Știință și Inginerie Cuantică al Institutului de Tehnologie Stevens si Departamentul de Fizică au descoperit acum o legătură neașteptată până acum între aceste părți diferite ale lucrării lui Huygens. Ei au făcut acest lucru analizând două proprietăți de coerență optică: polarizarea sau direcția în care oscilează undele și încurcarea, care într-un context non-cuantic poate fi considerată ca o formă unică de corelare a undelor. Ei au arătat că aceste două proprietăți sunt legate cantitativ de centrul de masă și momentul de inerție prin așa-numita teoremă Huygens-Steiner pentru rotația corpului rigid.

Axe paralele

Cunoscută și ca teorema axei paralele, teorema Huygens-Steiner afirmă că într-un corp rigid, momentul de inerție în jurul oricărei axe este întotdeauna mai mare sau egal cu momentul de inerție în jurul unei axe paralele care trece prin centrul de masă. De asemenea, se precizează că diferența dintre aceste două momente de inerție este direct proporțională cu distanța perpendiculară dintre cele două axe.

În studiul lor, care este descris în Cercetare de revizuire fizică, Qian și Izadi au folosit o procedură de cartografiere geometrică pentru a converti intensitățile undelor luminoase în mase punctuale mecanice. Prin interpretarea intensității unei unde luminoase ca echivalent al masei unui obiect fizic, ei au reușit să mapeze aceste intensități pe un sistem de coordonate care ar putea fi interpretat folosind teorema mecanică Huygens-Steiner.

„Teorema Huygens-Steiner stabilește o relație cantitativă între momentele de inerție și distanța dintre axele paralele”, explică Qian. „Am stabilit o conexiune cantitativă a distanței axelor cu concepte optice de încrucișare și coerență de polarizare. Teorema servește astfel ca o punte pentru a conecta momentele de inerție la încurcarea optică și polarizarea.”

O legătură surprinzătoare

Că o astfel de conexiune ar trebui să existe este surprinzător, adaugă Qian: „O undă este un sistem fizic care se extinde (nu are o locație specificată) și o particulă (care poate fi considerată ca un obiect rigid) poate fi localizată la un punct. Optica undelor și mecanica particulelor sunt două fenomene fizice complet diferite, așa că relația cantitativă pe care am stabilit-o este neașteptată.”

Deși conexiunea nu a fost arătată înainte, devine foarte clară odată ce mapați proprietățile luminii pe un sistem mecanic, spune el. „Ceea ce era odată abstract devine concret: folosind ecuații mecanice, poți măsura literalmente distanța dintre centrul de masă și alte puncte mecanice pentru a arăta modul în care diferitele proprietăți ale luminii se relaționează între ele.”

În timp ce lucrarea este teoretică, Qian și Izadi se așteaptă ca relația cantitativă pe care au descoperit-o să ajute la dezvoltarea unor proceduri în care masele mecanice ar putea simula comportamentul încordării undelor luminoase. „Măsurarea încurcăturii (și a polarizării) necesită de obicei tehnici complexe și costisitoare”, explică Qian. „Simularea acestora prin măsurarea centrului mecanic de masă și a momentului de inerție va fi mult mai ușoară și economică.

„Știm de peste un secol că lumina se comportă uneori ca o undă și uneori ca o particule, dar reconcilierea acestor două cadre s-a dovedit extrem de dificilă”, adaugă el. „Munca noastră nu rezolvă această problemă – dar arată că există conexiuni profunde între conceptele de unde și particule nu doar la nivel cuantic, ci și la nivelul sistemelor clasice de unde luminoase și de masă punctuală.”

Echipa Stevens investighează acum conexiunile cantitative dintre întricarea cuantică și sistemele clasice de masă punctuală mecanică. „Am obținut deja câteva rezultate cheie și ne așteptăm la alte rezultate neașteptate în viitor”, spune Qian Lumea fizicii.

Ei își raportează activitatea actuală în Cercetare de revizuire fizică.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Lumea fizicii