นักทฤษฎีค้นพบความเชื่อมโยงใหม่ระหว่างความพัวพันกับกลศาสตร์คลาสสิก - Physics World

นักทฤษฎีค้นพบความเชื่อมโยงใหม่ระหว่างความพัวพันกับกลศาสตร์คลาสสิก - Physics World

ประทับเวลา: 1 กันยายน 2023 7:00 น.

ภาพวาดของ Christian Huygens ซ้อนทับภาพวาดนาฬิกาลูกตุ้มจับมือด้วยลำแสงใต้คำบรรยาย
นักฟิสิกส์ที่สถาบันเทคโนโลยีสตีเวนส์ใช้ทฤษฎีบทอายุ 350 ปีของคริสเตียน ฮอยเกนส์ ซึ่งอธิบายการทำงานของลูกตุ้มและดาวเคราะห์ เพื่อเปิดเผยคุณสมบัติใหม่ของคลื่นแสง (ได้รับความอนุเคราะห์จากสถาบันเทคโนโลยีสตีเวนส์)

นักฟิสิกส์ที่สถาบันเทคโนโลยี Stevens ในรัฐนิวเจอร์ซีย์ สหรัฐอเมริกา ได้พบความเชื่อมโยงใหม่ที่น่าประหลาดใจระหว่างคุณสมบัติคลื่นของแสงและคุณสมบัติทางกลของมวลจุด การค้นพบของพวกเขาเชื่อมช่องว่างระหว่างกลศาสตร์คลาสสิกกับทัศนศาสตร์ของคลื่นที่เชื่อมโยงกันผ่านทฤษฎีที่เสนอเมื่อ 350 ปีก่อนโดยนักฟิสิกส์คณิตศาสตร์ชาวดัตช์ คริสเตียน ฮอยเกนส์

การค้นพบที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของฮอยเกนส์เกิดขึ้นในสองสาขาที่โดดเด่นที่สุดจาก 17 สาขาth- ฟิสิกส์แห่งศตวรรษ: ทัศนศาสตร์และกลศาสตร์ ในบรรดาความก้าวหน้าอื่นๆ เขาเป็นคนแรกที่เสนอ (ในคริสต์ทศวรรษ 1670) คำอธิบายคลื่นของแสงที่อธิบายการแพร่กระจายของแสง เช่นเดียวกับปรากฏการณ์ที่สำคัญ เช่น การรบกวน การเลี้ยวเบน และโพลาไรเซชัน ที่ถูกสังเกตในภายหลัง นอกจากนี้เขายังทำงานเกี่ยวกับแนวคิดทางกลเกี่ยวกับจุดศูนย์กลางมวลและโมเมนต์ความเฉื่อย ซึ่งเป็นคุณสมบัติพื้นฐานสองประการที่อธิบายว่าวัตถุแข็งเกร็งเคลื่อนที่อย่างไร

เสี่ยวเฟิงเฉียน และ มิซาจ อิซาดี ของ ศูนย์วิทยาศาสตร์และวิศวกรรมควอนตัมของสถาบันเทคโนโลยีสตีเวนส์ และ ภาควิชาฟิสิกส์ ตอนนี้ได้ค้นพบความเชื่อมโยงที่คาดไม่ถึงระหว่างส่วนต่างๆ ของงานของ Huygens แล้ว พวกเขาทำสิ่งนี้โดยการวิเคราะห์คุณสมบัติการเชื่อมโยงกันทางแสงสองประการ ได้แก่ โพลาไรเซชันหรือทิศทางที่คลื่นสั่น และการพัวพัน ซึ่งในบริบทที่ไม่ใช่ควอนตัมถือได้ว่าเป็นรูปแบบเฉพาะของความสัมพันธ์ของคลื่น พวกเขาแสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติทั้งสองนี้มีความสัมพันธ์เชิงปริมาณกับจุดศูนย์กลางของมวลและโมเมนต์ความเฉื่อยผ่านทฤษฎีบทที่เรียกว่า ทฤษฎีบท Huygens-Steiner สำหรับการหมุนวัตถุแข็งเกร็ง

แกนขนาน

หรือที่รู้จักกันในชื่อทฤษฎีบทแกนขนาน ทฤษฎีบทของไฮเกนส์-สไตเนอร์ระบุว่าในวัตถุแข็งเกร็ง โมเมนต์ความเฉื่อยรอบแกนใดๆ จะมากกว่าหรือเท่ากับโมเมนต์ความเฉื่อยรอบแกนขนานที่ผ่านจุดศูนย์กลางมวลเสมอ นอกจากนี้ยังระบุด้วยว่าความแตกต่างระหว่างโมเมนต์ความเฉื่อยทั้งสองนี้เป็นสัดส่วนโดยตรงกับระยะห่างตั้งฉากระหว่างแกนทั้งสอง

ในการศึกษาของพวกเขาซึ่งมีอธิบายไว้ใน การวิจัยทบทวนทางกายภาพเฉียนและอิซาดีใช้ขั้นตอนการทำแผนที่เรขาคณิตเพื่อแปลงความเข้มของคลื่นแสงให้เป็นมวลจุดเชิงกล ด้วยการตีความความเข้มของคลื่นแสงซึ่งเทียบเท่ากับมวลของวัตถุทางกายภาพ พวกเขาสามารถสร้างแผนผังความเข้มเหล่านี้บนระบบพิกัดที่สามารถตีความได้โดยใช้ทฤษฎีบทเชิงกลของฮอยเกนส์-ชไตเนอร์

“ทฤษฎีบทของไฮเกนส์-สไตเนอร์สร้างความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างโมเมนต์ความเฉื่อยกับระยะห่างระหว่างแกนขนาน” Qian อธิบาย “เราได้สร้างการเชื่อมต่อเชิงปริมาณของระยะห่างของแกนกับแนวคิดเชิงแสงของการพัวพันและการเชื่อมโยงกันของโพลาไรซ์ ทฤษฎีบทจึงทำหน้าที่เป็นสะพานเชื่อมระหว่างโมเมนต์ความเฉื่อยกับการพัวพันทางแสงและโพลาไรเซชัน”

การเชื่อมต่อที่น่าแปลกใจ

ความเชื่อมโยงดังกล่าวควรมีอยู่เป็นเรื่องที่น่าแปลกใจ Qian กล่าวเสริมว่า "คลื่นเป็นระบบทางกายภาพที่แผ่ออกไป (ไม่มีตำแหน่งที่ระบุ) และอนุภาค (ซึ่งถือได้ว่าเป็นวัตถุแข็งเกร็ง) สามารถแปลเป็นภาษาท้องถิ่นได้ที่ จุด. เลนส์คลื่นและกลศาสตร์ของอนุภาคเป็นปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง ดังนั้นความสัมพันธ์เชิงปริมาณที่เราสร้างขึ้นจึงเป็นสิ่งที่คาดไม่ถึง”

แม้ว่าจะไม่เคยแสดงการเชื่อมต่อมาก่อน แต่จะชัดเจนมากขึ้นเมื่อคุณจับคู่คุณสมบัติของแสงเข้ากับระบบกลไก เขากล่าว “สิ่งที่เคยเป็นนามธรรมกลายเป็นรูปธรรม: การใช้สมการทางกลทำให้คุณสามารถวัดระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางมวลและจุดเชิงกลอื่นๆ ได้อย่างแท้จริง เพื่อแสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติต่างๆ ของแสงสัมพันธ์กันอย่างไร”

แม้ว่างานนี้จะเป็นไปตามทฤษฎี แต่ Qian และ Izadi คาดหวังว่าความสัมพันธ์เชิงปริมาณที่พวกเขาค้นพบจะช่วยพัฒนากระบวนการที่มวลกลสามารถจำลองพฤติกรรมของการพัวพันของคลื่นแสงได้ “การวัดความพันกัน (และโพลาไรเซชัน) โดยทั่วไปต้องใช้เทคนิคที่ซับซ้อนและมีค่าใช้จ่ายสูง” Qian อธิบาย “การจำลองสิ่งเหล่านี้โดยการวัดจุดศูนย์กลางเชิงกลของมวลและโมเมนต์ความเฉื่อยจะง่ายกว่าและประหยัดมาก

“เรารู้กันมานานกว่าศตวรรษแล้วว่าแสงบางครั้งมีพฤติกรรมเหมือนคลื่น และบางครั้งก็เหมือนอนุภาค แต่การทำให้กรอบทั้งสองนั้นเข้ากันได้นั้นพิสูจน์ได้ว่ายากมาก” เขากล่าวเสริม “งานของเราไม่ได้แก้ปัญหานั้น แต่มันแสดงให้เห็นว่ามีความเชื่อมโยงอย่างลึกซึ้งระหว่างแนวคิดเรื่องคลื่นและอนุภาค ไม่ใช่แค่ในระดับควอนตัมเท่านั้น แต่ยังในระดับคลื่นแสงแบบดั้งเดิมและระบบมวลจุด”

ขณะนี้ทีมงานของ Stevens กำลังตรวจสอบความเชื่อมโยงเชิงปริมาณระหว่างการพัวพันกับควอนตัมและระบบมวลจุดเชิงกลแบบคลาสสิก “เราได้รับผลลัพธ์ที่สำคัญบางส่วนแล้ว และคาดว่าจะได้รับผลลัพธ์ที่ไม่คาดคิดเพิ่มเติมอีกในอนาคต” Qian กล่าว โลกฟิสิกส์.

พวกเขารายงานผลงานปัจจุบันของพวกเขาใน การวิจัยทบทวนทางกายภาพ.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์