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350年前的惠更斯力學(xué)定理如今又揭示出光的新特性

2023-10-18 16:47:59 來源：cnBeta

研究人員利用一個(gè)具有 350 年歷史、通常應(yīng)用于有形物體的機(jī)械定理，揭示了關(guān)于光本質(zhì)的新見解。通過把光的強(qiáng)度解釋為等同于物理質(zhì)量，他們把光映射到一個(gè)可以應(yīng)用既定機(jī)械方程的系統(tǒng)上。這種方法揭示了光波的非量子糾纏程度與其偏振程度之間的直接關(guān)聯(lián)。這些發(fā)現(xiàn)可以通過更直接的光強(qiáng)測量來簡化對(duì)復(fù)雜光學(xué)和量子特性的理解。

斯蒂文斯理工學(xué)院的研究人員應(yīng)用了一個(gè)有 350 年歷史的定理，該定理最初用于描述鐘擺和行星的行為，揭示了光波的新特性。

自從 17 世紀(jì)艾薩克-牛頓（Isaac Newton）和克里斯蒂安-惠更斯（Christiaan Huygens）就光的本質(zhì)展開辯論以來，科學(xué)界一直在努力解決這個(gè)問題：光究竟是波還是粒子--或者，在量子層面上，光究竟是波還是粒子？現(xiàn)在，史蒂文斯理工學(xué)院（Stevens Institute of Technology）的研究人員揭示了這兩種觀點(diǎn)之間的新聯(lián)系，他們利用一個(gè)有 350 年歷史的機(jī)械定理--通常用于描述大型物理物體（如鐘擺和行星）的運(yùn)動(dòng)--來解釋光波的一些最復(fù)雜的行為。

【資料圖】

揭示光特性之間的聯(lián)系

這項(xiàng)由斯蒂文斯大學(xué)物理學(xué)助理教授錢曉峰領(lǐng)導(dǎo)的研究工作發(fā)表在8月17日在線出版的《物理評(píng)論研究》（Physical Review Research）雜志上，它還首次證明了光波的非量子糾纏程度與其偏振程度之間存在著直接的互補(bǔ)關(guān)系。一個(gè)上升，另一個(gè)就會(huì)下降，這樣就能直接從偏振程度推斷出糾纏程度，反之亦然。這意味著難以測量的光學(xué)特性，如振幅、相位和相關(guān)性，甚至量子波系統(tǒng)的特性，都可以通過更容易測量的東西推導(dǎo)出來：光強(qiáng)度。

斯蒂文斯理工學(xué)院的物理學(xué)家利用一個(gè)有 350 年歷史的定理來解釋鐘擺和行星的工作原理，從而揭示了光波的新特性。圖片來源：史蒂文斯理工學(xué)院

錢永健說："一個(gè)多世紀(jì)以來，我們一直知道光有時(shí)表現(xiàn)得像波，有時(shí)表現(xiàn)得像粒子，但事實(shí)證明調(diào)和這兩種框架極其困難，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層面，而且在經(jīng)典光波和點(diǎn)質(zhì)量系統(tǒng)層面都存在深刻的聯(lián)系。"

將惠更斯力學(xué)定理應(yīng)用于光

團(tuán)隊(duì)使用了惠更斯最初在 1673 年一本關(guān)于鐘擺的書中提出的機(jī)械定理，該定理解釋了旋轉(zhuǎn)物體所需的能量如何隨物體的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)軸的不同而變化。"這是一個(gè)行之有效的機(jī)械定理，可以解釋鐘表或假肢等物理系統(tǒng)的工作原理。但我們能夠證明，它也能為光的工作原理提供新的見解。"

這個(gè)有著350年歷史的定理描述的是質(zhì)量和它們的旋轉(zhuǎn)動(dòng)量之間的關(guān)系，那么在沒有質(zhì)量可測量的情況下，如何將它應(yīng)用于光呢？錢永健的團(tuán)隊(duì)將光的強(qiáng)度解釋為等同于物理物體的質(zhì)量，然后將這些測量結(jié)果映射到一個(gè)坐標(biāo)系上，這個(gè)坐標(biāo)系可以用惠更斯力學(xué)定理來解釋。從根本上說，他們找到了一種轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)的方法，這樣就能把它可視化為一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)，然后用成熟的物理方程來描述它。

研究小組將光波可視化為機(jī)械系統(tǒng)的一部分后，光波特性之間的新聯(lián)系就會(huì)立即顯現(xiàn)出來--包括糾纏和偏振之間的明確關(guān)系。

錢永健說："這是以前從未展示過的，但一旦把光的特性映射到機(jī)械系統(tǒng)上，就會(huì)變得非常清晰。曾經(jīng)抽象的東西變得具體了：利用機(jī)械方程，可以實(shí)實(shí)在在地測量"質(zhì)心"和其他機(jī)械點(diǎn)之間的距離，從而顯示光的不同屬性之間的關(guān)系。"

澄清這些關(guān)系可能會(huì)產(chǎn)生重要的實(shí)際影響，使光學(xué)系統(tǒng)--甚至量子系統(tǒng)--的微妙和難以測量的特性可以從更簡單、更可靠的光強(qiáng)度測量中推導(dǎo)出來。更推測性的是，研究小組的發(fā)現(xiàn)表明，有可能利用機(jī)械系統(tǒng)來模擬和更好地理解量子波系統(tǒng)奇特而復(fù)雜的行為。

錢永健說："這仍然擺在我們面前，但通過第一項(xiàng)研究，我們已經(jīng)清楚地表明，通過應(yīng)用力學(xué)概念，有可能以一種全新的方式理解光學(xué)系統(tǒng)。最終，這項(xiàng)研究有助于簡化我們理解世界的方式，讓我們認(rèn)識(shí)到表面上互不相關(guān)的物理定律之間的內(nèi)在聯(lián)系。"

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