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350年前的惠更斯力學定理如今又揭示出光的新特性

2023-10-18 16:47:59 來源：cnBeta

研究人員利用一個具有 350 年歷史、通常應用于有形物體的機械定理，揭示了關于光本質的新見解。通過把光的強度解釋為等同于物理質量，他們把光映射到一個可以應用既定機械方程的系統(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聯(lián)。這些發(fā)現(xiàn)可以通過更直接的光強測量來簡化對復雜光學和量子特性的理解。

斯蒂文斯理工學院的研究人員應用了一個有 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 世紀艾薩克-牛頓（Isaac Newton）和克里斯蒂安-惠更斯（Christiaan Huygens）就光的本質展開辯論以來，科學界一直在努力解決這個問題：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，史蒂文斯理工學院（Stevens Institute of Technology）的研究人員揭示了這兩種觀點之間的新聯(lián)系，他們利用一個有 350 年歷史的機械定理--通常用于描述大型物理物體（如鐘擺和行星）的運動--來解釋光波的一些最復雜的行為。

【資料圖】

揭示光特性之間的聯(lián)系

這項由斯蒂文斯大學物理學助理教授錢曉峰領導的研究工作發(fā)表在8月17日在線出版的《物理評論研究》（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關系。一個上升，另一個就會下降，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特性，如振幅、相位和相關性，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出來：光強度。

斯蒂文斯理工學院的物理學家利用一個有 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：史蒂文斯理工學院

錢永健說："一個多世紀以來，我們一直知道光有時表現(xiàn)得像波，有時表現(xiàn)得像粒子，但事實證明調和這兩種框架極其困難，我們的工作并沒有解決這個問題--但它確實表明，波和粒子概念之間不僅在量子層面，而且在經典光波和點質量系統(tǒng)層面都存在深刻的聯(lián)系。"

將惠更斯力學定理應用于光

團隊使用了惠更斯最初在 1673 年一本關于鐘擺的書中提出的機械定理，該定理解釋了旋轉物體所需的能量如何隨物體的質量和旋轉軸的不同而變化。"這是一個行之有效的機械定理，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。"

這個有著350年歷史的定理描述的是質量和它們的旋轉動量之間的關系，那么在沒有質量可測量的情況下，如何將它應用于光呢？錢永健的團隊將光的強度解釋為等同于物理物體的質量，然后將這些測量結果映射到一個坐標系上，這個坐標系可以用惠更斯力學定理來解釋。從根本上說，他們找到了一種轉換光學系統(tǒng)的方法，這樣就能把它可視化為一個機械系統(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械系統(tǒng)的一部分后，光波特性之間的新聯(lián)系就會立即顯現(xiàn)出來--包括糾纏和偏振之間的明確關系。

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械系統(tǒng)上，就會變得非常清晰。曾經抽象的東西變得具體了：利用機械方程，可以實實在在地測量"質心"和其他機械點之間的距離，從而顯示光的不同屬性之間的關系。"

澄清這些關系可能會產生重要的實際影響，使光學系統(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、更可靠的光強度測量中推導出來。更推測性的是，研究小組的發(fā)現(xiàn)表明，有可能利用機械系統(tǒng)來模擬和更好地理解量子波系統(tǒng)奇特而復雜的行為。

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

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