Начиная с XVII века, когда Исаак Ньютон и Христиан Гюйгенс впервые заспорили о природе света, учёные ломают голову над тем, как лучше рассматривать свет - как волну или как частицу - или, возможно, на квантовом уровне даже как то и другое одновременно. Теперь исследователи из Технологического института Стивенса обнаружили новую связь между этими двумя точками зрения, используя 350-летнюю теорему механики, которая обычно используется для описания движения больших физических объектов, таких как маятники и планеты, но для объяснения некоторых из наиболее сложных форм поведения световых волн.
Работа, выполненная под руководством Сяофэна Цяня (Xiaofeng Qian), доцента кафедры физики Стивенса, и опубликованная в онлайновом выпуске журнала Physical Review Research от 17 августа, впервые доказывает, что степень неквантовой запутанности световой волны находится в прямой и взаимодополняющей зависимости от степени её поляризации. При увеличении одной из них другая падает, что позволяет определять уровень запутанности непосредственно по уровню поляризации, и наоборот. Это означает, что трудноизмеримые оптические свойства, такие как амплитуды, фазы и корреляции - возможно, даже свойства квантовых волновых систем - могут быть выведены из того, что гораздо проще измерить: интенсивности света.
«Мы уже более века знаем, что свет иногда ведёт себя как волна, а иногда как частица, но примирить эти две концепции оказалось чрезвычайно сложно, - говорит Цянь. - Наша работа не решает эту проблему, но она показывает, что между концепциями волны и частицы существуют глубокие связи не только на квантовом уровне, но и на уровне классических световых волн и систем точечных масс».
Команда Цяня использовала механическую теорему, первоначально разработанную Гюйгенсом в книге о маятниках 1673 г., которая объясняет, как энергия, необходимая для вращения объекта, зависит от его массы и оси, вокруг которой он вращается. «Это хорошо известная теорема механики, которая объясняет работу таких физических систем, как часы или протезы конечностей, - пояснил Цянь. - Но нам удалось показать, что она может дать новое понимание того, как работает свет".
Эта 350-летняя теорема описывает взаимосвязь между массой и её вращательным моментом, так как же её можно применить к свету, где нет массы, которую можно измерить? Команда Цяня интерпретировала интенсивность света как эквивалент массы физического объекта, а затем перенесла эти измерения в систему координат, которую можно интерпретировать с помощью механической теоремы Гюйгенса. «По сути, мы нашли способ перевести оптическую систему в механическую, а затем описать её с помощью хорошо известных физических уравнений», - пояснил Цянь.
Как только команда визуализировала световую волну как часть механической системы, сразу же стали очевидны новые связи между свойствами волны, в том числе и то, что запутанность и поляризация находятся в чёткой взаимосвязи друг с другом.
«Это становится очень понятным, когда свойства света переносятся на механическую систему", - говорит Цянь. - То, что раньше было абстрактным, становится конкретным: используя механические уравнения, можно буквально измерить расстояние между условным "центром масс" и другими механическими точками, чтобы показать, как различные свойства света связаны друг с другом.
Прояснение этих взаимосвязей может иметь важные практические последствия, позволяя выводить тонкие и трудноизмеримые свойства оптических систем - или даже квантовых систем - из более простых и надёжных измерений интенсивности света, пояснил Цянь. В более спекулятивном плане результаты работы группы позволяют предположить возможность использования механических систем для моделирования и лучшего понимания странного и сложного поведения квантовых волновых систем.
«Это ещё впереди, но уже в первом исследовании мы наглядно показали, что, применяя механические концепции, можно совершенно по-новому понять оптические системы, - сказал Цянь. - В конечном счёте, эти исследования помогают упростить понимание мира, позволяя нам осознать внутренние связи между, казалось бы, не связанными между собой физическими законами».
Источник новости: habr.com
