350-годишна теорема от механиката разкрива нови свойства на светлината

Теорема от механиката отпреди 350 години, която обикновено се прилага към големи обекти, помага на изследователи да направят нови прозрения за природата на светлината

Ваня Милева Последна промяна на 19 октомври 2023 в 00:00 5572 0

Теорема от механиката отпреди 350 години, която обикновено се прилага към големи обекти, помага на изследователи да направят нови прозрения за природата на светлината.

Кредит PICRYL, Public Domain

Тълкувайки интензитета на светлината като еквивалент на физическа маса, авторите картографират светлината върху система, където могат да бъдат приложени установени механични уравнения. Този подход разкрива пряка връзка между степента на неквантово вплитане на светлинната вълна и нейната степен на поляризация. Тези открития биха могли да опростят разбирането на сложни оптични и квантови свойства чрез по-ясни измервания на интензитета на светлината.

Изследователи прилагат теорема от механиката отпреди 350 години, първоначално използвана за описание на поведението на махалата и планетите, за да разкрият нови свойства на светлинните вълни.

Те откриват неочаквана досега връзка между оптиката и механиката като анализират две свойства на оптичната кохерентност: поляризация или посоката, в която вълните осцилират, и вплитане, което в неквантов контекст може да се разглежда като уникална форма на вълнова корелация.

Авторите на новото изследване показват, че тези две свойства са количествено свързани с центъра на масата и инерционния момент чрез така наречената теорема на Хюйгенс-Щайнер за въртене на твърдо тяло.

Връзки между свойствата на светлината

През 17-ти век Исак Нютон и Кристиан Хюйгенс спорят за същността на светлината: Дали светлината е вълна или частица - или може би, на квантово ниво и двете едновременно?

Сега изследователи разкриват нова връзка между двете гледни точки, използвайки 350-годишна теорема от механиката - обикновено използвана за описание на движението на големи физически обекти като махало или планета - за да обяснят някои аспекти от най-сложното поведение на светлинните вълни.

Работата, ръководена от Сяофън Циен (Xiaofeng Qian), асистент по физика в Технологичния институт "Стивънс" и докладвана в онлайн изданието на Physical Review Research от 17 август, доказва за първи път, че степента на неквантово вплитане на светлинните вълни съществува в пряка и допълваща се връзка със степента на поляризация. Когато единото се увеличава, другото пада, което позволява нивото на вплитане да бъде изведено директно от нивото на поляризация и обратно. Това означава, че трудни за измерване оптични свойства като амплитуди, фази и корелации – може би дори тези на квантовите вълнови системи – могат да бъдат изведени от нещо много по-лесно за измерване: интензитета на светлината.

Обща графика на допълнителна връзка на вплитане и на поляризацията на светлината
Физици от от Технологичния институт "Стивънс" използват 350-годишна теорема, която обяснява работата на махалата и планетите, за да разкрият нови свойства на светлинните вълни. Кредит: Stevens Institute of Technology

"От повече от век знаем, че светлината понякога се държи като вълна, а понякога като частица, но съгласуването на тези две рамки се оказа изключително трудно", разказва Циен. "Нашата работа не решава този проблем – но показва че съществуват дълбоки връзки между понятията за вълни и частици не само на квантово ниво, но и на ниво класически светлинни вълни и системи, съставени от точкови маси."

Прилагане на механичната теорема на Хюйгенс към светлината

Хюйгенс изобретява часовника с махало през 1657 г., който патентова през същата година. Неговите изследвания за часовниците водят до обширен анализ на махалото в Horologium Oscillatorium (1673), смятан за един от най-важните трудове на 17-ти век по механика. Въпреки че съдържа описания на конструкцията на часовника, по-голямата част от книгата е анализ на движението на махалото, където също така обяснява как енергията, необходима за въртене на обект, зависи от неговата маса и оста, около която трябва да се завърти.

Екипът на Циан успява да покаже, че теоремата може да се приложи и за това как работи светлината.

Но как теорема, свързваща масите и техния ротационен импулс, може да се приложи към светлината, която няма измерима маса?

Екипът на Циен тълкува интензитета на светлината като еквивалент на масата на физически обект и след това картографира тези измервания върху координатна система, която може да бъде интерпретирана с помощта на механичната теорема на Хюйгенс.

"По същество намерихме начин да преведем оптична система, така че да можем да я визуализираме като механична система, след което да я опишем с помощта на добре установени физически уравнения", обяснява Циен.

Това позволява на екипа да визуализира светлината като част от механична система и връзките между вълновите свойства като вплитане и поляризация стават по-ясни, заявяват изследователите.

Как ще помогне това?

Съгласуването на двете концепции за светлината като вълна или частица е особено трудно. Въпреки че новото изследване не решава този проблем, то демонстрира, че има връзки между тези две рамки, които не съществуват само на квантово ниво, но и на ниво класическа физика, където се работи с вълни и системи от точкови маси.

"Това, което някога е било абстрактно, става конкретно: използвайки механични уравнения, може буквално да се измери разстоянието между "центъра на масата" и други механични точки, за да се покаже как различните свойства на светлината се отнасят едно към друго", обяснява Циен.

По-нататъшното изследване на тези взаимоотношения може да помогне на учените да оценят свойствата не само на трудни за измерване оптични системи, но и на квантови системи. Приспадания за тези системи вече могат да се извършват с помощта на светлинни измервания, които са не само много по-лесни за постигане, но и по-стабилни от гледна точка на събирането на данни.

Освен това физиците биха могли да приложат същата система, за да изследват сложното поведение, наблюдавано в системите с квантови вълни.

"В крайна сметка, това изследване помага да се опрости начина, по който разбираме света, като ни позволява да разпознаем присъщите основни връзки между очевидно несвързани физически закони", добавя Циен.

Справка:

Източник:

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !