Теоретики відкривають новий зв’язок між заплутаністю та класичною механікою – Physics World

Теоретики відкривають новий зв’язок між заплутаністю та класичною механікою – Physics World

Мітка часу: 1 вересня 2023 р., 7:00

Картина Крістіана Гюйгенса, накладена на малюнок маятникового годинника, який трясе руку світловим променем, під підписом
Фізики з Технологічного інституту Стівенса використали 350-річну теорему Крістіана Гюйгенса, яка пояснює роботу маятників і планет, щоб виявити нові властивості світлових хвиль. (З дозволу: Технологічний інститут Стівенса)

Фізики з Технологічного інституту Стівенса в Нью-Джерсі, США, виявили новий і дивовижний зв’язок між хвильовими властивостями світла та механічними властивостями точкових мас. Їх знахідка долає розрив між класичною механікою та оптикою когерентних хвиль за допомогою теорій, висунутих 350 років тому голландським фізиком-математиком Крістіаном Гюйгенсом.

Найбільші відкриття Гюйгенса були зроблені у двох найвидатніших областях із 17th-століття фізика: оптика і механіка. Серед інших досягнень він був першим, хто запропонував (у 1670-х роках) хвильовий опис світла, який пояснює оптичне поширення, а також важливі явища, такі як інтерференція, дифракція та поляризація, які спостерігалися пізніше. Він також працював над механічними концепціями центру мас і моменту інерції, які є двома фундаментальними властивостями, що описують, як рухаються тверді тіла.

Сяо-Фен Цянь та Місаг Ізаді в Центр квантової науки та інженерії Технологічного інституту Стівенса і Кафедра фізики тепер виявили несподіваний досі зв'язок між цими різними частинами творчості Гюйгенса. Вони зробили це, проаналізувавши дві властивості оптичної когерентності: поляризацію, або напрямок, у якому коливаються хвилі, і заплутаність, яку в неквантовому контексті можна розглядати як унікальну форму хвильової кореляції. Вони показали, що ці дві властивості кількісно пов’язані з центром мас і моментом інерції через так звану теорему Гюйгенса-Штейнера для обертання твердого тіла.

Паралельні осі

Також відома як теорема про паралельну ось, теорема Гюйгенса-Штейнера стверджує, що в твердому тілі момент інерції навколо будь-якої осі завжди більший або дорівнює моменту інерції навколо паралельної осі, що проходить через центр мас. Там також зазначено, що різниця між цими двома моментами інерції прямо пропорційна перпендикулярній відстані між двома осями.

У своєму дослідженні, яке описано в Дослідження фізичного оглядуЦянь і Ізаді використовували процедуру геометричного відображення для перетворення інтенсивності світлових хвиль у механічні точкові маси. Інтерпретуючи інтенсивність світлової хвилі як еквівалент маси фізичного об’єкта, вони змогли відобразити ці інтенсивності в системі координат, яку можна інтерпретувати за допомогою механічної теореми Гюйгенса-Штайнера.

«Теорема Гюйгенса-Штейнера встановлює кількісний зв’язок між моментами інерції та відстанню між паралельними осями», — пояснює Цянь. «Ми встановили кількісний зв'язок відстані між осями з оптичними концепціями заплутаності та поляризаційної когерентності. Таким чином, теорема служить мостом для зв’язку моментів інерції з оптичним заплутанням і поляризацією».

Дивовижний зв'язок

Те, що такий зв’язок має існувати, викликає подив, Цянь додає: «Хвиля — це фізична система, яка поширюється (вона не має визначеного місця), а частинка (яку можна розглядати як твердий об’єкт) може бути локалізована на точка. Хвильова оптика та механіка елементарних частинок — це два абсолютно різні явища фізики, тому кількісне співвідношення, яке ми встановили, є несподіваним».

Хоча зв’язок не був показаний раніше, він стає дуже ясним, коли ви відображаєте властивості світла на механічній системі, каже він. «Те, що колись було абстрактним, стає конкретним: використовуючи механічні рівняння, ви можете буквально виміряти відстань між центром мас та іншими механічними точками, щоб показати, як різні властивості світла співвідносяться між собою».

Хоча ця робота є теоретичною, Цянь і Ізаді очікують, що кількісне співвідношення, яке вони виявили, може допомогти розробити процедури, за допомогою яких механічні маси могли б імітувати поведінку заплутаних світлових хвиль. «Вимірювання заплутаності (і поляризації) зазвичай потребує складних і дорогих методів», — пояснює Цянь. «Імітувати їх шляхом вимірювання механічного центру мас і моменту інерції буде набагато легше та економніше.

«Понад століття ми знаємо, що світло іноді поводиться як хвиля, а іноді як частинка, але узгодити ці дві системи виявилося надзвичайно складно», – додає він. «Наша робота не вирішує цю проблему, але вона показує, що існують глибокі зв’язки між концепціями хвиль і частинок не лише на квантовому рівні, але й на рівні класичних світлових хвиль і систем точкових мас».

Зараз команда Стівенса досліджує кількісні зв’язки між квантовою заплутаністю та класичними механічними системами точкових мас. «Ми вже отримали деякі ключові результати і очікуємо ще деяких несподіваних результатів у майбутньому», — розповідає Цянь Світ фізики.

Вони звітують про свою поточну роботу в Дослідження фізичного огляду.

Часова мітка:

Більше від Світ фізики