350年前的定理揭示了光的性質(zhì)之間的“深刻”聯(lián)系

荷蘭出生克里斯蒂安·惠更斯可能是你從未聽說過的最著名的物理學(xué)家之一。他在17世紀(jì)后期的作品跨越了我們宇宙的無形和有形領(lǐng)域：光的本質(zhì)和運(yùn)動物體的力學(xué)。

在他的眾多貢獻(xiàn)中，惠更斯提出了光的波動理論，該理論將產(chǎn)生物理光學(xué)，它處理光的干涉、衍射和偏振。他還發(fā)明了第一個擺鐘;近300年來最精確的計時器，貫穿工業(yè)革命。

這兩個看似不同的光學(xué)領(lǐng)域之間的聯(lián)系很少有人關(guān)注。經(jīng)典力學(xué)– 直到現(xiàn)在。

新澤西州史蒂文斯理工學(xué)院的兩位物理學(xué)家重新審視了惠更斯在1673年發(fā)表的關(guān)于鐘擺的開創(chuàng)性工作，并利用他350年前的力學(xué)定理揭示了一些最奇怪，也是最基本的光特性之間的一些新聯(lián)系。

“通過這項第一項研究，我們已經(jīng)清楚地表明，通過應(yīng)用機(jī)械概念，有可能以全新的方式理解光學(xué)系統(tǒng)。說物理學(xué)家錢曉峰。

錢和他在史蒂文斯研究所的同事米薩格·伊扎迪（Misagh Izadi）在他們的計算中考慮了光的兩個性質(zhì)：偏振和一種稱為經(jīng)典或非量子的相關(guān)性形式。糾纏.

這兩個屬性反映了奇怪的光的二元性它滲透到我們宇宙的每一個口袋。在量子意義上，光 - 像所有形式的物質(zhì)一樣 - 可以被描述為在空間中蕩漾的波，也可以描述為定位于單個點的離散粒子。

然而，這不僅僅是一種量子現(xiàn)象。在齒輪、彈簧和滴答時鐘的經(jīng)典世界中，光波像無形海洋上的物理漣漪一樣起伏，其特性與它們在太空中不斷變化的進(jìn)程有關(guān)。

“一個多世紀(jì)以來，我們已經(jīng)知道光有時表現(xiàn)得像波，有時像粒子，但事實證明，調(diào)和這兩個框架非常困難。錢先生說。

“我們的工作并沒有解決這個問題 - 但它確實表明，波和粒子概念之間不僅在量子水平上，而且在經(jīng)典光波和點質(zhì)量系統(tǒng)的水平上都有深刻的聯(lián)系。

通常被認(rèn)為是一種量子現(xiàn)象，糾纏簡單地描述對象屬性中的相關(guān)性。

對于粒子，它可以是電子的自旋，或者一對光子的動量或位置。了解一個粒子的一個特征會告訴你另一個粒子的相同特征。

經(jīng)典糾纏也描述了某些相關(guān)性，只是在測量之前不需要考慮物體的不穩(wěn)定性質(zhì)。

極化是光波上下或左右振蕩的方向性。像光子這樣的粒子，構(gòu)成一束光的能量包，也可以被偏振。

如果光波振蕩，鐘擺也是如此，那么錢和伊扎迪認(rèn)為他們可能能夠使用后者的力學(xué)來描述前者的性質(zhì)。

“從本質(zhì)上講，我們找到了一種翻譯光學(xué)系統(tǒng)的方法，因此我們可以將其可視化為機(jī)械系統(tǒng)，然后使用完善的物理方程對其進(jìn)行描述，”錢。解釋.

通常，經(jīng)典力學(xué)用于描述大型物理物體（如鐘擺和行星）的運(yùn)動。例如，惠更斯的平行軸定理描述了質(zhì)量與其旋轉(zhuǎn)動量之間的關(guān)系。

錢和伊扎迪將光設(shè)想為一種機(jī)械系統(tǒng)，惠更斯的平行軸定理可以應(yīng)用于此，并發(fā)現(xiàn)了一種“深刻”的聯(lián)系：光波的偏振程度與最近公認(rèn)的稱為矢量空間糾纏的性質(zhì)的程度直接相關(guān)。

錢和伊扎迪的計算表明，當(dāng)一個上升時，另一個下降，使得糾纏水平可以直接從極化水平推斷出來，反之亦然。

“最終，這項研究有助于簡化我們理解世界的方式，讓我們認(rèn)識到明顯不相關(guān)的物理定律之間的內(nèi)在聯(lián)系，”錢。說.

該研究發(fā)表在物理評論研究.

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