22 авг 2023 8 148

Физики использовали теорему 350-летней давности, чтобы раскрыть новые свойства световых волн

Хотите знать, как работает свет? Попробуйте задать вопрос механику. Оптика и механика — разные области физики, но они связаны. Известно, что движение частиц можно описать с помощью геометрической/лучевой оптики. Однако между классической физикой и оптикой когерентных волн есть мало известных связей.

Новое исследование ученых из Технологического института Стивенса показывает эти связи с помощью количественного анализа поляризации и запутанности. Они использовали 350-летнюю теорему из области механики, чтобы найти новую связь между двумя подходами и объяснить сложные явления поведения световых волн.

В работе также впервые обнаружена прямая и обратная связь между степенью поляризации световой волны и степенью ее неквантовой запутанности. Когда одно увеличивается, другое уменьшается, что позволяет определять уровень запутанности по уровню поляризации и наоборот.

Таким образом, можно получить такие сложные оптические характеристики, как амплитуды, фазы и корреляции (возможно, даже характеристики квантовых волновых систем), на основе чего-то более простого для измерения: интенсивности света.

Известно, что свет может быть волной или частицей. Но согласовать эти две концепции очень трудно. Новое исследование решает эту проблему, показывая сильные связи между концепциями волн и частиц на квантовом уровне, а также на уровне классических световых волн и систем точечной массы.

Ученые применили теорему, которую Гюйгенс создал в книге о маятниках 1673 года. Он описывает, как меняется энергия для вращения объекта в зависимости от его массы и оси вращения.

Это известная механическая теорема, которая объясняет работу физических систем, например часов или протезов. Но мы показали, что она также может дать новое понимание работы света

— Сяофэн Цянь, доцент кафедры физики Стивенса.

Как применить эту теорему к свету, если у него нет массы? Ученые интерпретировали интенсивность света как аналог массы физического объекта. Затем они перевели эти измерения в систему координат, которую можно было использовать с помощью механической теоремы Гюйгенса.

Мы нашли способ превратить оптическую систему в механическую систему и описать ее с помощью известных физических уравнений. Когда мы представили световую волну как часть механической системы, мы увидели новые связи между свойствами волны, в том числе то, что запутанность и поляризация обратно связаны. Это не было показано раньше, но это стало очень понятно, когда мы применили свойства света к механической системе. То, что было абстрактным, стало конкретным: используя механические уравнения, мы можем измерить расстояние между «центром масс» и другими механическими точками, чтобы показать, как разные свойства света связаны друг с другом

— Сяофэн Цянь.

Уточнение этих связей может иметь практическое значение, позволяя получать тонкие и сложные свойства оптических или квантовых систем на основе простых и надежных измерений интенсивности света. Более того, результаты команды предполагают возможность использовать механические системы для моделирования и понимания странного и сложного поведения квантово-волновых систем.

Это еще только предстоит сделать, но в первом исследовании ученые ясно показали, что применение механических концепций помогает понять оптические системы по-новому. В конечном счете, это исследование помогает упростить наше понимание мира, позволяя видеть внутренние связи между разными явлениями.