Teoretiker upptäcker en ny koppling mellan förveckling och klassisk mekanik – Physics World

Teoretiker upptäcker en ny koppling mellan förveckling och klassisk mekanik – Physics World

Tidsstämpel: 1 september, 2023 7:00

En målning av Christiaan Huygens ovanpå en teckning av en pendelklocka som skakar hand med en ljusstråle, under bildtexten
Fysiker vid Stevens Institute of Technology använde Christiaan Huygens 350 år gamla teorem, som förklarar hur pendlar och planeter fungerar, för att avslöja nya egenskaper hos ljusvågor. (Med tillstånd: Stevens Institute of Technology)

Fysiker vid Stevens Institute of Technology i New Jersey, USA har hittat en ny och överraskande koppling mellan ljusets vågegenskaper och punktmassornas mekaniska egenskaper. Deras upptäckt överbryggar klyftan mellan klassisk mekanik och optiken hos koherenta vågor via teorier som lades fram för 350 år sedan av den nederländska matematiska fysikern Christiaan Huygens.

Huygens största upptäckter kom i de två mest framträdande områdena av 17th-talets fysik: optik och mekanik. Bland andra framsteg var han den första som föreslog (på 1670-talet) en vågbeskrivning av ljus som redogör för optisk utbredning såväl som viktiga fenomen som interferens, diffraktion och polarisation som observerades senare. Han arbetade också med de mekaniska begreppen masscentrum och tröghetsmoment, som är de två grundläggande egenskaperna som beskriver hur stela kroppar rör sig.

Xiao-Feng Qian och Misagh Izadi av Stevens Institute of Technologys Center for Quantum Science and Engineering och Institutionen för fysik har nu upptäckt ett hittills oväntat samband mellan dessa olika delar av Huygens arbete. De gjorde detta genom att analysera två optiska koherensegenskaper: polarisering, eller riktningen i vilken vågor svänger, och intrassling, som i en icke-kvantkontext kan ses som en unik form av vågkorrelation. De visade att dessa två egenskaper är kvantitativt relaterade till masscentrum och tröghetsmoment genom den så kallade Huygens-Steiner-satsen för stel kroppsrotation.

Parallella axlar

Huygens-Steiners sats, även känd som parallellaxelsatsen, säger att i en stel kropp är tröghetsmomentet runt vilken axel som helst alltid större än eller lika med tröghetsmomentet runt en parallell axel som passerar genom masscentrum. Den anger också att skillnaden mellan dessa två tröghetsmoment är direkt proportionell mot det vinkelräta avståndet mellan de två axlarna.

I deras studie, som beskrivs i Forskning om fysisk granskning, Qian och Izadi använde en geometrisk kartläggningsprocedur för att omvandla ljusvågsintensiteter till mekaniska punktmassor. Genom att tolka intensiteten av en ljusvåg som motsvarighet till ett fysiskt objekts massa kunde de kartlägga dessa intensiteter på ett koordinatsystem som kunde tolkas med hjälp av Huygens-Steiners mekaniska sats.

"Huygens-Steiners sats etablerar ett kvantitativt samband mellan tröghetsmoment och avståndet mellan de parallella axlarna", förklarar Qian. ”Vi har etablerat en kvantitativ koppling av axlarnas avstånd med optiska begrepp om intrassling och polarisationskoherens. Satsen fungerar alltså som en brygga för att koppla samman tröghetsmoment till optisk intrassling och polarisation."

Ett överraskande samband

Att en sådan koppling skulle finnas är förvånande, tillägger Qian: "En våg är ett fysiskt system som breder ut sig (den har inte en specificerad plats) och en partikel (som kan betraktas som ett stelt objekt) kan lokaliseras vid en punkt. Vågoptik och partikelmekanik är två helt olika fysikfenomen så den kvantitativa relationen vi har etablerat är oväntad.”

Även om sambandet inte hade visats tidigare, blir det väldigt tydligt när man kartlägger ljusets egenskaper på ett mekaniskt system, säger han. "Det som en gång var abstrakt blir konkret: med hjälp av mekaniska ekvationer kan du bokstavligen mäta avståndet mellan masscentrum och andra mekaniska punkter för att visa hur olika egenskaper hos ljus relaterar till varandra."

Även om arbetet är teoretiskt, förväntar sig Qian och Izadi att den kvantitativa relation de upptäckte kan hjälpa till att utveckla procedurer där mekaniska massor kan simulera beteendet hos ljusvågsintrassling. "Att mäta intrassling (och polarisering) kräver vanligtvis komplexa och kostsamma tekniker," förklarar Qian. "Att simulera dem genom att mäta det mekaniska masscentrumet och tröghetsmomentet kommer att vara mycket enklare och ekonomiskt.

"Vi har vetat i över ett sekel att ljus ibland beter sig som en våg och ibland som en partikel, men att förena dessa två ramverk har visat sig vara extremt svårt", tillägger han. "Vårt arbete löser inte det problemet – men det visar att det finns djupgående samband mellan våg- och partikelkoncept, inte bara på kvantnivå, utan på nivån för klassiska ljusvågor och punktmassasystem."

Stevens-teamet undersöker nu de kvantitativa sambanden mellan kvantintrassling och klassiska mekaniska punktmasssystem. "Vi har redan fått några nyckelresultat och förväntar oss ytterligare oväntade resultat i framtiden", säger Qian Fysikvärlden.

De redovisar sitt nuvarande arbete i Forskning om fysisk granskning.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden