Теорема 350-летней давности раскрывает «глубокую» связь между свойствами света

Уроженец Голландии Христиан Гюйгенс, вероятно, один из самых ярких физиков, о которых, между тем, мало кто слышал. Его работы в конце 17 века охватывали как нематериальные, так и материальные сферы нашей Вселенной: природу света и механику движущихся объектов.

Среди своих многочисленных вкладов Гюйгенс предложил волновую теорию света, которая положила начало физической оптике, изучающей интерференцию, дифракцию и поляризацию света. Он также изобрел первые часы с маятником; самый точный хронометрист на протяжении почти 300 лет, вплоть до промышленной революции.

До сих пор мало что было известно о связях между этими двумя, казалось бы, несопоставимыми областями оптики и классической механики.

Пара физиков из Технологического института Стивенса в Нью-Джерси вновь обратились к плодотворной работе Гюйгенса о маятниках, опубликованной в 1673 году, и использовали его механическую теорему 350-летней давности, чтобы раскрыть некоторые новые связи между некоторыми из самых странных и фундаментальных явлений, свойства света. Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Research.

«В этом первом исследовании мы ясно показали, что, применяя механические концепции, можно понять оптические системы совершенно по-новому», — говорит физик Сяофэн Цянь.

Цянь и его коллега из Института Стивенса Мисаг Изади в своих расчетах учли два свойства света: поляризацию и форму корреляции, известную как классическая, или неквантовая, запутанность.

Эти два свойства отражают странную двойственность света, которая пронизывает каждый уголок нашей Вселенной. В квантовом смысле свет, как и все формы материи, можно описать как волны, распространяющиеся в пространстве, а также как дискретные частицы, локализованные в одной точке.

Однако это не просто квантовое явление. В классическом мире шестеренок, пружин и тикающих часов световые волны поднимаются и падают, как физическая рябь на неосязаемом океане, свойства которых связаны с их постоянно меняющимся продвижением в пространстве.

«Более столетия мы знаем, что свет иногда ведет себя как волна, а иногда как частица, но примирить эти две концепции оказалось чрезвычайно сложно», — сказал Цянь. «Наша работа не решает эту проблему, но показывает, что существуют глубокие связи между концепциями волн и частиц не только на квантовом уровне, но и на уровне классических световых волн и систем точечной массы».

Запутанность, которую чаще всего считают квантовым явлением, просто описывает корреляции в свойствах объектов.

Для частиц это могут быть спины электронов, импульс или положение пары фотонов. Знание чего-либо об одной из этих характеристик одной частицы говорит вам кое-что о той же характеристике другой.

Классическая запутанность также описывает определенные корреляции, только без необходимости учитывать неустойчивую природу объекта перед его измерением.

Поляризация — это свойство направления световой волны, колеблющейся вверх и вниз или влево и вправо. Частицы, такие как фотоны, пакеты энергии, составляющие луч света, также могут быть поляризованы.

Если световая волна колеблется, как и маятник, то Цянь и Изади подумали, что они смогут использовать механику последней для описания свойств первой.

«По сути, мы нашли способ преобразовать оптическую систему, чтобы мы могли визуализировать ее как механическую систему, а затем описать ее с помощью общепризнанных физических уравнений», — объясняет Цянь.

Обычно классическая механика используется для описания движения больших физических объектов, таких как маятники и планеты. Например, теорема Гюйгенса о параллельной оси описывает взаимосвязь между массами и их моментом вращения.

Цянь и Изади рассматривали свет как механическую систему, к которой можно было применить теорему Гюйгенса о параллельных осях, и обнаружили «глубокую» связь: степень поляризации световой волны была напрямую связана со степенью недавно признанного свойства, называемого векторной запущенностью пространства.

Расчеты Цяня и Изади предполагают, что по мере того, как один поднимается, другой падает, что позволяет определить уровень запутанности непосредственно на основе уровня поляризации, и наоборот.

«В конечном счете, это исследование помогает упростить наше понимание мира, позволяя нам распознать внутренние связи между, казалось бы, несвязанными физическими законами», — говорит Цянь.