Các nhà lý thuyết tìm ra mối liên hệ mới giữa sự vướng víu và cơ học cổ điển – Physics World

Các nhà lý thuyết tìm ra mối liên hệ mới giữa sự vướng víu và cơ học cổ điển – Physics World

Dấu thời gian: Ngày 1 tháng 2023 năm 7 00:XNUMX AM

Một bức tranh của Christiaan Huygens chồng lên bức vẽ một chiếc đồng hồ quả lắc bắt tay với một chùm ánh sáng, bên dưới chú thích
Các nhà vật lý tại Viện Công nghệ Stevens đã sử dụng định lý 350 năm tuổi của Christiaan Huygens, giải thích hoạt động của các con lắc và hành tinh, để khám phá những đặc tính mới của sóng ánh sáng. (Được phép: Viện Công nghệ Stevens)

Các nhà vật lý tại Viện Công nghệ Stevens ở New Jersey, Mỹ vừa tìm thấy một mối liên hệ mới và đáng ngạc nhiên giữa tính chất sóng của ánh sáng và tính chất cơ học của khối lượng điểm. Phát hiện của họ thu hẹp khoảng cách giữa cơ học cổ điển và quang học của sóng kết hợp thông qua các lý thuyết do nhà vật lý toán học người Hà Lan Christiaan Huygens đưa ra cách đây 350 năm.

Những khám phá lớn nhất của Huygens đến từ hai lĩnh vực nổi bật nhất của 17th-Vật lý thế kỷ: quang học và cơ học. Trong số những tiến bộ khác, ông là người đầu tiên đề xuất (vào những năm 1670) một mô tả sóng của ánh sáng giải thích cho sự truyền quang cũng như các hiện tượng quan trọng như giao thoa, nhiễu xạ và phân cực được quan sát thấy sau này. Ông cũng nghiên cứu các khái niệm cơ học về khối tâm và mômen quán tính, hai tính chất cơ bản mô tả cách các vật rắn chuyển động.

Tiểu Phong Thiên và Misagh Izadi của Trung tâm Khoa học và Kỹ thuật Lượng tử của Viện Công nghệ Stevens và Khoa Vật lý hiện đã phát hiện ra mối liên hệ bất ngờ cho đến nay giữa những phần khác nhau này trong tác phẩm của Huygens. Họ làm được điều này bằng cách phân tích hai đặc tính kết hợp quang học: sự phân cực, hay hướng sóng dao động, và sự vướng víu, mà trong bối cảnh phi lượng tử có thể được coi là một dạng tương quan sóng độc đáo. Họ đã chỉ ra rằng hai tính chất này có liên quan về mặt định lượng với khối tâm và mô men quán tính thông qua cái gọi là định lý Huygens-Steiner cho chuyển động quay của vật cứng.

Trục song song

Còn được gọi là định lý trục song song, định lý Huygens-Steiner phát biểu rằng trong một vật rắn, mô men quán tính quanh một trục bất kỳ luôn lớn hơn hoặc bằng mômen quán tính quanh một trục song song đi qua khối tâm. Nó cũng phát biểu rằng sự khác biệt giữa hai mô men quán tính này tỷ lệ thuận với khoảng cách vuông góc giữa hai trục.

Trong nghiên cứu của họ, được mô tả trong Nghiên cứu đánh giá vật lý, Qian và Izadi đã sử dụng quy trình ánh xạ hình học để chuyển đổi cường độ sóng ánh sáng thành khối lượng điểm cơ học. Bằng cách diễn giải cường độ của sóng ánh sáng tương đương với khối lượng của một vật thể, họ có thể ánh xạ các cường độ này lên một hệ tọa độ có thể diễn giải bằng định lý cơ học Huygens-Steiner.

“Định lý Huygens-Steiner thiết lập mối quan hệ định lượng giữa mômen quán tính và khoảng cách giữa các trục song song,” Qian giải thích. “Chúng tôi đã thiết lập một kết nối định lượng về khoảng cách giữa các trục với các khái niệm quang học về sự vướng víu và sự kết hợp phân cực. Do đó, định lý đóng vai trò như một cầu nối để kết nối mômen quán tính với sự vướng víu quang học và sự phân cực.”

Một kết nối đáng ngạc nhiên

Thật đáng ngạc nhiên khi tồn tại một mối liên hệ như vậy, Qian cho biết thêm: “Sóng là một hệ vật lý lan rộng (nó không có vị trí xác định) và một hạt (có thể được coi là một vật thể cứng) có thể định vị tại một điểm. điểm. Quang học sóng và cơ học hạt là hai hiện tượng vật lý hoàn toàn khác nhau nên mối quan hệ định lượng mà chúng tôi thiết lập là điều bất ngờ.”

Mặc dù mối liên hệ này chưa được thể hiện trước đây nhưng nó sẽ trở nên rất rõ ràng khi bạn ánh xạ các đặc tính của ánh sáng lên một hệ cơ học, ông nói. “Điều từng trừu tượng trở nên cụ thể: bằng cách sử dụng các phương trình cơ học, bạn có thể đo khoảng cách giữa khối tâm và các điểm cơ học khác theo đúng nghĩa đen để chỉ ra các tính chất khác nhau của ánh sáng liên quan với nhau như thế nào.”

Trong khi công trình trên chỉ mang tính lý thuyết, Qian và Izadi hy vọng rằng mối quan hệ định lượng mà họ khám phá ra có thể giúp phát triển các quy trình trong đó các khối lượng cơ học có thể mô phỏng hành trạng của sự vướng víu sóng ánh sáng. Qian giải thích: “Việc đo độ vướng víu (và độ phân cực) thường đòi hỏi những kỹ thuật phức tạp và tốn kém. “Việc mô phỏng chúng bằng cách đo khối tâm cơ học và mô men quán tính sẽ dễ dàng và tiết kiệm hơn nhiều.

“Hơn một thế kỷ qua, chúng ta đã biết rằng ánh sáng đôi khi hành xử như sóng, đôi khi giống như hạt, nhưng việc dung hòa hai khuôn khổ đó tỏ ra cực kỳ khó khăn,” ông nói thêm. “Công trình của chúng tôi không giải quyết được vấn đề đó – nhưng nó chứng tỏ rằng có những mối liên hệ sâu sắc giữa các khái niệm sóng và hạt không chỉ ở cấp độ lượng tử, mà còn ở cấp độ các hệ thống sóng ánh sáng và khối lượng điểm cổ điển.”

Đội Stevens hiện đang nghiên cứu những mối liên hệ định lượng giữa sự vướng víu lượng tử và các hệ khối lượng điểm cơ học cổ điển. Qian nói: “Chúng tôi đã đạt được một số kết quả quan trọng và mong đợi một số kết quả bất ngờ hơn nữa trong tương lai”. Thế giới vật lý.

Họ báo cáo công việc hiện tại của họ trong Nghiên cứu đánh giá vật lý.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý