21 آگوست 2023 -توسط موسسه فناوری استیونز
فیزیکدانان موسسه فناوری استیونز از یک قضیه 350 ساله استفاده می کنند که عملکرد آونگ ها و سیارات را توضیح می دهد تا خواص جدید امواج نور را آشکار کنند. اعتبار: موسسه فناوری استیونز
از قرن هفدهم، زمانی که آیزاک نیوتن و کریستیان هویگنس برای اولین بار در مورد ماهیت نور بحث کردند، دانشمندان در این حیرت بودند که آیا نور بهتر است به عنوان یک موج یا یک ذره – یا شاید در سطح کوانتومی، حتی هر دو در یک زمان مشاهده شود. اکنون، محققان موسسه فناوری استیونز با استفاده از یک قضیه مکانیکی 350 ساله – که معمولاً برای توصیف حرکت اجسام بزرگ و فیزیکی مانند آونگ‌ها و سیارات استفاده می‌شود – ارتباط جدیدی بین این دو دیدگاه آشکار کرده‌اند. رفتارهای پیچیده امواج نور.
این کار به رهبری Xiaofeng Qian، استادیار فیزیک در استیونز و در شماره آنلاین 17 اوت مجله Physical Review Research گزارش شد، همچنین برای اولین بار ثابت می کند که درجه درهم تنیدگی غیرکوانتومی موج نور در یک رابطه مستقیم و مکمل وجود دارد. با درجه قطبش آن همانطور که یکی بالا می رود، دیگری سقوط می کند و این امکان را فراهم می کند که سطح درهم تنیدگی مستقیماً از سطح قطبی شدن استنباط شود و بالعکس. این بدان معناست که اندازه‌گیری ویژگی‌های نوری دشوار مانند دامنه‌ها، فازها و همبستگی‌ها – شاید حتی این ویژگی‌های سیستم‌های موج کوانتومی – را می‌توان از چیزی بسیار آسان‌تر برای اندازه‌گیری استنتاج کرد: شدت نور.
کیان گفت: «ما برای بیش از یک قرن است که می‌دانیم که نور گاهی مانند یک موج و گاهی مانند یک ذره رفتار می‌کند، اما تطبیق این دو چارچوب بسیار دشوار است. کار ما این مشکل را حل نمی‌کند، اما نشان می‌دهد. ارتباط عمیقی بین مفاهیم موج و ذرات نه تنها در سطح کوانتومی، بلکه در سطح امواج نور کلاسیک و سیستم‌های جرمی وجود دارد.
تیم کیان از یک قضیه مکانیکی استفاده کردند که در ابتدا توسط هویگنز در کتابی در مورد آونگ ها در سال 1673 ایجاد شد، که توضیح می دهد چگونه انرژی مورد نیاز برای چرخش یک جسم بسته به جرم جسم و محوری که به دور آن می چرخد متفاوت است. کیان توضیح داد: «این یک قضیه مکانیکی به خوبی تثبیت شده است که عملکرد سیستم‌های فیزیکی مانند ساعت‌ها یا اندام‌های مصنوعی را توضیح می‌دهد. “اما ما توانستیم نشان دهیم که می تواند بینش جدیدی در مورد نحوه عملکرد نور نیز ارائه دهد.”
این قضیه 350 ساله روابط بین جرم ها و تکانه چرخشی آنها را توصیف می کند، بنابراین چگونه می توان آن را در جایی که جرمی برای اندازه گیری وجود ندارد در نور اعمال کرد؟ تیم کیان شدت نور را معادل جرم یک جسم فیزیکی تفسیر کردند، سپس آن اندازه‌گیری‌ها را بر روی یک سیستم مختصاتی ترسیم کردند که می‌توان با استفاده از قضیه مکانیکی هویگنز تفسیر کرد. کیان توضیح داد: «در اصل، ما راهی برای ترجمه یک سیستم نوری پیدا کردیم تا بتوانیم آن را به عنوان یک سیستم مکانیکی تجسم کنیم، سپس آن را با استفاده از معادلات فیزیکی به خوبی تثبیت شده توصیف کنیم.
هنگامی که تیم یک موج نور را به عنوان بخشی از یک سیستم مکانیکی تجسم کرد، اتصالات جدید بین خواص موج بلافاصله آشکار شد – از جمله این واقعیت که درهم تنیدگی و قطبش در یک رابطه واضح با یکدیگر قرار داشتند.
کیان می‌گوید: «این چیزی بود که قبلاً نشان داده نشده بود، اما زمانی که ویژگی‌های نور را روی یک سیستم مکانیکی ترسیم کنید، کاملاً واضح می‌شود. «آنچه زمانی انتزاعی بود عینیت می‌یابد: با استفاده از معادلات مکانیکی، می‌توان به معنای واقعی کلمه فاصله بین «مرکز جرم» و سایر نقاط مکانیکی را اندازه‌گیری کرد تا نشان دهد که چگونه خواص مختلف نور با یکدیگر مرتبط هستند.
کیان توضیح داد که روشن کردن این روابط می‌تواند پیامدهای عملی مهمی داشته باشد، و اجازه می‌دهد تا ویژگی‌های ظریف و دشوار اندازه‌گیری سیستم‌های نوری – یا حتی سیستم‌های کوانتومی – از اندازه‌گیری‌های ساده‌تر و قوی‌تر شدت نور استنتاج شود. به طور فرضی تر، یافته های این تیم امکان استفاده از سیستم های مکانیکی را برای شبیه سازی و درک بهتر رفتارهای عجیب و پیچیده سیستم های موج کوانتومی نشان می دهد.
کیان گفت: “این هنوز در پیش روی ما است، اما با این اولین مطالعه ما به وضوح نشان دادیم که با استفاده از مفاهیم مکانیکی، می توان سیستم های نوری را به روشی کاملاً جدید درک کرد.” در نهایت، این تحقیق به ساده‌سازی نحوه درک ما از جهان کمک می‌کند و به ما امکان می‌دهد ارتباطات زیربنایی ذاتی بین قوانین فیزیکی ظاهراً نامرتبط را بشناسیم.»
