350 Jahre alte Theorie enthüllt „tiefgreifenden“ Zusammenhang zwischen den Eigenschaften von Licht

In den Niederlanden geboren Christian Huygens Er ist vielleicht einer der berühmtesten Physiker, von denen Sie noch nie gehört haben. Seine Arbeit im späten 17. Jahrhundert umfasste die materiellen und immateriellen Bereiche unseres Universums: die Natur des Lichts und die Mechanik sich bewegender Körper.

Unter seinen zahlreichen Beiträgen schlug Huygens eine Wellentheorie des Lichts vor, die zu … führen würde. Physikalische Optik, das sich mit Interferenz, Beugung und Polarisation von Licht beschäftigt. Er hat auch den ersten erfunden Pendel; Das genaueste Zeitmessgerät gab es bereits vor fast 300 Jahren, während der Industriellen Revolution.

Zwischen diesen beiden scheinbar unterschiedlichen Bereichen der Optik und Optik wurden nur wenige Verbindungen hergestellt Klassische Mechanik – bis jetzt.

Ein Physikerpaar am Stevens Institute of Technology in New Jersey hat Huygens‘ wegweisende Arbeit über das Pendel aus dem Jahr 1673 erneut aufgegriffen und anhand seiner 350 Jahre alten mechanischen Theorie einige neue Zusammenhänge zwischen einigen der seltsamsten und grundlegendsten Elemente aufgedeckt . , Eigenschaften von Licht.

„Mit dieser ersten Studie haben wir deutlich gezeigt, dass es durch die Anwendung mechanistischer Konzepte möglich ist, optische Systeme auf völlig neue Weise zu verstehen.“ sagen Physiker Xiaofengqian.

Qian und sein Kollege vom Stevens-Institut, Misagh Izadi, berücksichtigten in ihren Berechnungen zwei Eigenschaften des Lichts: Polarisation und eine Form der Korrelation, die als klassische oder Nicht-Quanten-Verschränkung bekannt ist.

Diese beiden Eigenschaften spiegeln das Seltsame wider Dualität des Lichts Das durchdringt jeden Winkel unseres Universums. Im Quantensinn kann Licht – wie alle Formen der Materie – als Wellen beschrieben werden, die sich durch den Raum bewegen, es handelt sich aber auch um diskrete Teilchen, die sich an einem einzelnen Punkt befinden.

Dabei handelt es sich jedoch nicht nur um ein Quantenphänomen. In der klassischen Welt der Zahnräder, Federn und tickenden Uhren steigen und fallen Lichtwellen wie physische Wellen auf einem immateriellen Ozean, wobei die Eigenschaften mit ihrer ständig wechselnden Bewegung durch den Raum verbunden sind.

„Wir wissen seit mehr als einem Jahrhundert, dass sich Licht manchmal wie eine Welle und manchmal wie ein Teilchen verhält, aber es hat sich als äußerst schwierig erwiesen, diese beiden Systeme in Einklang zu bringen.“ sagte Qian.

„Unsere Arbeit löst dieses Problem nicht – aber sie zeigt, dass es tiefe Zusammenhänge zwischen Wellen- und Teilchenkonzepten nicht nur auf der Quantenebene, sondern auch auf der Ebene klassischer Lichtwellen und Punkt-Massen-Systeme gibt.“

Verschränkung ist im Allgemeinen ein Quantenphänomen und beschreibt lediglich Korrelationen in den Eigenschaften von Objekten.

Bei Teilchen könnte dies der Spin von Elektronen, der Impuls oder die Position eines Photonenpaares sein. Wenn Sie etwas über eine dieser Eigenschaften eines Teilchens wissen, erfahren Sie etwas über dieselbe Eigenschaft des anderen.

Auch die klassische Verschränkung beschreibt einige Korrelationen, allerdings ohne die Instabilität eines Objekts vor der Messung berücksichtigen zu müssen.

Polarisation Es ist die Richtungseigenschaft einer Lichtwelle, die nach oben und unten bzw. nach links und rechts schwingt. Auch Teilchen wie Photonen, die Energiepakete, aus denen ein Lichtstrahl besteht, können polarisiert sein.

Wenn eine Lichtwelle schwingt, schwingt auch ein Pendel. Qian und Izadi dachten, sie könnten die Mechanik des letzteren nutzen, um die Eigenschaften des ersteren zu beschreiben.

„Im Grunde haben wir einen Weg gefunden, das optische System so zu übersetzen, dass wir es als mechanisches System visualisieren und es dann mithilfe gut etablierter physikalischer Gleichungen beschreiben können“, sagte Qian. Er erklärt.

Typischerweise wird die klassische Mechanik verwendet, um die Bewegung großer physikalischer Objekte wie Pendel und Planeten zu beschreiben. Zum Beispiel Huygens Parallelachsentheorie Beschreibt die Beziehung zwischen Massen und ihrem Impuls.

Qian und Izadi stellten sich Licht als ein mechanisches System vor, auf das der Parallelachsensatz von Huygens angewendet werden konnte, und sie fanden einen „tiefgreifenden“ Zusammenhang: Der Polarisationsgrad einer Lichtwelle stand in direktem Zusammenhang mit dem Grad einer kürzlich erkannten Eigenschaft namens Vektorraumverschränkung.

Die Berechnungen von Qian und Izadi deuten darauf hin, dass, wenn das eine steigt, das andere sinkt, sodass der Verschränkungsgrad direkt vom Polarisationsniveau abgeleitet werden kann und umgekehrt.

„Letztendlich trägt diese Forschung dazu bei, die Art und Weise, wie wir die Welt verstehen, zu vereinfachen, indem sie es uns ermöglicht, grundlegende Zusammenhänge zwischen scheinbar nicht zusammenhängenden physikalischen Gesetzen zu erkennen“, sagte Qian. sagen.

Die Studie wurde veröffentlicht in Forschung zur körperlichen Überprüfung.