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(dòng)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(dòng)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(gè)擺鐘;近300年來最精確的計(jì)時(shí)器，貫穿工業(yè)革命。

這兩個(gè)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(xiàng)第一項(xiàng)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(jì)算中考慮了光的兩個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)點(diǎn)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(shí)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?cè)谔罩胁粩嘧兓倪M(jìn)程有關(guān)。

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

“我們的工作并沒有解決這個(gè)問題 - 但它確實(shí)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(diǎn)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(jiǎn)單地描述對(duì)象屬性中的相關(guān)性。

對(duì)于粒子，它可以是電子的自旋，或者一對(duì)光子的動(dòng)量或位置。了解一個(gè)粒子的一個(gè)特征會(huì)告訴你另一個(gè)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(cè)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(duì)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(dòng)。例如，惠更斯的平行軸定理描述了質(zhì)量與其旋轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)算表明，當(dāng)一個(gè)上升時(shí)，另一個(gè)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(xiàng)研究有助于簡(jiǎn)化我們理解世界的方式，讓我們認(rèn)識(shí)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(píng)論研究.

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