350

Валерий Брожинский/iStock

Подписываясь, вы соглашаетесь с нашими Условиями использования и политикой. Вы можете отказаться от подписки в любое время.

В 1673 году Христиан Гюйгенс написал книгу о маятниках и о том, как они работают. Механическая теорема, упомянутая в книге, была использована 350 лет спустя исследователями из Технологического института Стивенса для объяснения сложного поведения света, говорится в заявлении университета.

Несмотря на то, что свет известен нам уже многие тысячелетия, человечеству так и не удалось объяснить саму природу света. На протяжении веков ученые расходились во мнениях относительно того, называть ли его волной или частицей, и когда, казалось, появилось некоторое согласие относительно того, чем на самом деле может быть свет, квантовая физика бросила новый мяч, предположив, что он существует и в том, и в другом виде одновременно.

Исследователи, которые ранее работали над опровержением утверждений противоположной фракции, теперь тратят время на объяснение того, как свет одновременно проявляет свойства как волн, так и частиц.

Для этого группа под руководством Сяофэна Цяня, профессора физики Технологического института Стивенса, обратилась к механической теореме 350-летней давности, которая объясняет, как работают такие объекты, как маятники.

Гюйгенс предположил, что свет распространяется в виде волн по всей Вселенной. Но голландский физик также объяснил, как энергия, необходимая для вращения объекта, зависит от его массы и оси, вокруг которой его нужно повернуть.

Эту механическую теорему можно использовать для объяснения движения таких объектов, как маятники и планеты.

Однако при применении этого метода к свету было одно препятствие. В теореме использовалась масса объектов, а свет не имеет массы. Поэтому команда Цяня использовала интенсивность света как эквивалент массы физических объектов. Затем стало возможным сопоставить измерения с системой координат для интерпретации теоремы Гюйгенса, говорится в заявлении.

По словам исследователей, это позволило команде визуализировать свет как часть механической системы, а связи между свойствами волн, такими как запутанность и поляризация, стали более ясными.

Примирение двух школ мысли о том, является ли свет волной или частицей, было особенно трудным. Хотя новое исследование не решает эту проблему, оно демонстрирует, что между этими двумя структурами существуют связи, которые существуют не только на квантовом уровне, но и на уровне классической физики, где мы имеем дело с волнами и системами точечных масс.

inkoly/iStock

«То, что когда-то было абстрактным, становится конкретным: используя механические уравнения, вы можете буквально измерить расстояние между «центром масс» и другими механическими точками, чтобы показать, как различные свойства света связаны друг с другом», — сказал Цянь в своем заявлении.

Дальнейшее исследование этих взаимосвязей может помочь ученым оценить свойства не только трудноизмеримых оптических систем, но и квантовых систем. Выводы для этих систем теперь могут осуществляться с использованием световых измерений, которые не только намного проще достичь, но и более надежны с точки зрения сбора данных.

Кроме того, исследователи могли бы также применить ту же систему для изучения сложного поведения, наблюдаемого в квантово-волновых системах. «В конечном счете, это исследование помогает упростить наше понимание мира, позволяя нам распознать внутренние связи между, казалось бы, несвязанными физическими законами», — добавил Цянь.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Research.

Абстрактный

Хотя оптика и механика — две разные области физики, они связаны между собой. Хорошо известно, что геометрическая/лучевая трактовка света имеет прямые аналогии с механическим описанием движения частиц. Однако о связи оптики когерентных волн с классической механикой сообщается редко. Здесь мы сообщаем о связи этих двух явлений посредством систематического количественного анализа поляризации и запутанности, двух свойств оптической когерентности в рамках волнового описания света, впервые предложенного Гюйгенсом и Френелем. Получено общее дополнительное тождественное отношение для произвольных световых полей. Еще более удивительно то, что через барицентрическую систему координат было показано, что оптическая поляризация, запутанность и их тождественные отношения количественно связаны с механическими понятиями центра масс и момента инерции посредством теоремы Гюйгенса-Штайнера для вращения твердого тела. Полученный результат объединяет когерентную волновую оптику и классическую механику через две теории Гюйгенса.