350 jaar oude theorie onthult ‘diepgaande’ relatie tussen eigenschappen van licht

Nederlands geboren Christiaan Huygens Hij is misschien wel een van de beroemdste natuurkundigen waar je nog nooit van hebt gehoord. Zijn werk aan het einde van de zeventiende eeuw omvatte de tastbare en immateriële gebieden van ons universum: de aard van licht en de mechanica van bewegende lichamen.

Onder zijn vele bijdragen stelde Huygens een golftheorie van licht voor die aanleiding zou geven tot… Fysieke optica, dat zich bezighoudt met interferentie, diffractie en polarisatie van licht. Hij heeft ook de eerste uitgevonden slinger; Het meest nauwkeurige tijdwaarnemingsapparaat bestond bijna 300 jaar geleden, tijdens de industriële revolutie.

Er zijn weinig verbindingen gelegd tussen deze twee ogenschijnlijk uiteenlopende velden van optica en optica Klassieke mechanica – Dusver.

Een paar natuurkundigen van het Stevens Institute of Technology in New Jersey hebben het baanbrekende werk van Huygens over de slinger, gepubliceerd in 1673, opnieuw bekeken en zijn 350 jaar oude mechanische theorie gebruikt om enkele nieuwe verbanden tussen enkele van de vreemdste en meest fundamentele elementen te onthullen. . , eigenschappen van licht.

“Met deze eerste studie hebben we duidelijk aangetoond dat het door het toepassen van mechanistische concepten mogelijk is om optische systemen op een geheel nieuwe manier te begrijpen.” Hij zegt Natuurkundige Xiaofengqian.

Qian en zijn collega Misagh Izadi van het Stevens Institute hielden bij hun berekeningen rekening met twee eigenschappen van licht: polarisatie en een vorm van correlatie die bekend staat als klassieke of niet-kwantumverstrengeling.

Deze twee kenmerken weerspiegelen het vreemde Dualiteit van licht Dat doordringt elk deel van ons universum. In kwantumbetekenis kan licht – net als alle vormen van materie – worden omschreven als golven die door de ruimte rimpelen, maar het zijn ook afzonderlijke deeltjes die zich op één punt bevinden.

Dit is echter niet alleen een kwantumfenomeen. In de klassieke wereld van tandwielen, veren en tikkende klokken stijgen en dalen lichtgolven als fysieke rimpelingen op een ongrijpbare oceaan, met eigenschappen die verband houden met hun steeds veranderende voortgang door de ruimte.

“We weten al meer dan een eeuw dat licht zich soms als een golf gedraagt, en soms als een deeltje, maar het is uiterst moeilijk gebleken om deze twee raamwerken met elkaar te verzoenen.” zei Qian.

“Ons werk lost dit probleem niet op – maar het laat zien dat er diepe verbanden bestaan ​​tussen golf- en deeltjesconcepten, niet alleen op kwantumniveau, maar ook op het niveau van klassieke lichtgolven en puntmassasystemen.”

Verstrengeling is meestal een kwantumfenomeen en beschrijft eenvoudigweg correlaties in de eigenschappen van objecten.

Voor deeltjes kan dit de spin van elektronen, momentum of de positie van een paar fotonen zijn. Iets weten over een van deze eigenschappen van het ene deeltje vertelt je iets over dezelfde eigenschap van het andere deeltje.

Klassieke verstrengeling beschrijft ook enkele correlaties, zonder rekening te hoeven houden met de onstabiele aard van een object voordat het wordt gemeten.

polarisatie Het is de directionele eigenschap van een lichtgolf die op en neer oscilleert, of naar links en rechts. Deeltjes zoals fotonen, de energiepakketjes waaruit een lichtbundel bestaat, kunnen ook gepolariseerd zijn.

Als een lichtgolf oscilleerde, dacht een slinger dat ook, Qian en Izadi dachten dat ze de mechanica van de laatste zouden kunnen gebruiken om de eigenschappen van de eerste te beschrijven.

“In principe hebben we een manier gevonden om het optische systeem te vertalen, zodat we het kunnen visualiseren als een mechanisch systeem, en het vervolgens kunnen beschrijven met behulp van gevestigde fysieke vergelijkingen,” zei Qian. Hij legt uit.

Meestal wordt klassieke mechanica gebruikt om de beweging van grote fysieke objecten zoals slingers en planeten te beschrijven. Huygens bijvoorbeeld Parallelle-astheorie Beschrijft de relatie tussen massa’s en hun momentum.

Qian en Izadi zagen licht als een mechanisch systeem waarop de stelling van de parallelle as van Huygens kon worden toegepast, en ze vonden een ‘diepgaand’ verband: de mate van polarisatie van een lichtgolf hield rechtstreeks verband met de mate van een onlangs erkende eigenschap genaamd vectorruimteverstrengeling.

De berekeningen van Qian en Izadi geven aan dat wanneer de een stijgt, de ander daalt, waardoor het verstrengelingsniveau rechtstreeks uit het polarisatieniveau kan worden afgeleid, en omgekeerd.

“Uiteindelijk helpt dit onderzoek de manier waarop we de wereld begrijpen te vereenvoudigen, door ons in staat te stellen fundamentele, fundamentele verbindingen te herkennen tussen ogenschijnlijk niet-gerelateerde natuurkundige wetten”, aldus Qian. Hij zegt.

Het onderzoek is gepubliceerd in Fysiek reviewonderzoek.