Теоретики обнаружили новую связь между запутанностью и классической механикой

Теоретики обнаружили новую связь между запутанностью и классической механикой

Отметка времени: 1 сентября 2023 г., 7:00

Картина Христиана Гюйгенса, наложенная на рисунок маятниковых часов, пожимающих руку световому лучу, под подписью.
Физики из Технологического института Стивенса использовали теорему Кристиана Гюйгенса 350-летней давности, объясняющую работу маятников и планет, чтобы раскрыть новые свойства световых волн. (Фото любезно предоставлено: Технологический институт Стивенса)

Физики из Технологического института Стивенса в Нью-Джерси, США, обнаружили новую и удивительную связь между волновыми свойствами света и механическими свойствами точечных масс. Их открытие устраняет разрыв между классической механикой и оптикой когерентных волн с помощью теорий, выдвинутых 350 лет назад голландским физиком-математиком Христианом Гюйгенсом.

Крупнейшие открытия Гюйгенса были сделаны в двух наиболее выдающихся областях 17thФизика -века: оптика и механика. Среди других достижений он первым предложил (в 1670-х годах) волновое описание света, которое объясняет оптическое распространение, а также важные явления, такие как интерференция, дифракция и поляризация, которые наблюдались позже. Он также работал над механическими концепциями центра масс и момента инерции, которые являются двумя фундаментальными свойствами, описывающими движение твердых тел.

Сяо-Фэн Цянь и Мисах Изади Центр квантовой науки и техники Технологического института Стивенса и Физический факультет теперь обнаружили неожиданную до сих пор связь между этими различными частями работы Гюйгенса. Они сделали это, проанализировав два свойства оптической когерентности: поляризацию, или направление, в котором колеблются волны, и запутанность, которую в неквантовом контексте можно рассматривать как уникальную форму волновой корреляции. Они показали, что эти два свойства количественно связаны с центром масс и моментом инерции через так называемую теорему Гюйгенса-Штайнера для вращения твердого тела.

Параллельные оси

Теорема Гюйгенса-Штайнера, также известная как теорема о параллельной оси, утверждает, что в твердом теле момент инерции вокруг любой оси всегда больше или равен моменту инерции вокруг параллельной оси, проходящей через центр масс. В нем также говорится, что разница между этими двумя моментами инерции прямо пропорциональна расстоянию по перпендикуляру между двумя осями.

В своем исследовании, описанном в Физический обзор исследованийЦянь и Изади использовали процедуру геометрического картографирования для преобразования интенсивности световых волн в механические точечные массы. Интерпретируя интенсивность световой волны как эквивалент массы физического объекта, они смогли отобразить эту интенсивность в системе координат, которую можно было интерпретировать с помощью механической теоремы Гюйгенса-Штайнера.

«Теорема Гюйгенса-Штайнера устанавливает количественную связь между моментами инерции и расстоянием между параллельными осями», — объясняет Цянь. «Мы установили количественную связь расстояния осей с оптическими представлениями о запутанности и поляризационной когерентности. Таким образом, теорема служит мостом, связывающим моменты инерции с оптической запутанностью и поляризацией».

Удивительная связь

То, что такая связь существует, удивляет, добавляет Цянь: «Волна — это физическая система, которая распространяется (у нее нет определенного местоположения), а частица (которую можно рассматривать как жесткий объект) может быть локализована в определенном месте. точка. Волновая оптика и механика элементарных частиц — два совершенно разных физических явления, поэтому установленная нами количественная связь неожиданна».

Хотя эта связь раньше не была показана, она становится очень ясной, если сопоставить свойства света с механической системой, говорит он. «То, что когда-то было абстрактным, становится конкретным: используя механические уравнения, вы можете буквально измерить расстояние между центром масс и другими механическими точками, чтобы показать, как различные свойства света связаны друг с другом».

Хотя работа носит теоретический характер, Цянь и Изади ожидают, что обнаруженное ими количественное соотношение может помочь разработать процедуры, в которых механические массы смогут моделировать поведение запутанности световых волн. «Измерение запутанности (и поляризации) обычно требует сложных и дорогостоящих методов», — объясняет Цянь. «Смоделировать их путем измерения механического центра масс и момента инерции будет намного проще и экономичнее.

«Уже более века мы знаем, что свет иногда ведет себя как волна, а иногда как частица, но примирить эти две концепции оказалось чрезвычайно сложно», — добавляет он. «Наша работа не решает эту проблему, но показывает, что существуют глубокие связи между концепциями волн и частиц не только на квантовом уровне, но и на уровне классических световых волн и систем точечной массы».

Команда Стивенса сейчас исследует количественные связи между квантовой запутанностью и классическими механическими системами точечных масс. «Мы уже получили некоторые ключевые результаты и ожидаем новых неожиданных результатов в будущем», — говорит Цянь. Мир физики.

Они сообщают о своей нынешней работе в Физический обзор исследований.

Отметка времени:

Больше от Мир физики