Od 17. stoljeća, kada su Isaac Newton i Christiaan Huygens prvi puta raspravljali o prirodi svjetlosti, znanstvenici su razbijali glavu nad pitanjem je li svjetlost najbolje gledati kao val ili česticu – ili možda, na kvantnoj razini, čak i kao oboje odjednom. Sada su istraživači na Stevens Institute of Technology otkrili novu vezu između te dvije perspektive, koristeći se 350-godišnjom mehaničkom teoremom – koja se obično koristi za opis kretanja velikih, fizičkih objekata poput planeta – kako bi objasnili neka od najkompleksnijih ponašanja svjetlosnih valova.
Rad, predvođen Xiaofeng Qianom, pomoćnim profesorom fizike na Stevensu i objavljen 17. kolovoza u online izdanju Physical Review Research, također prvi puta dokazuje da stupanj ne-kvantne isprepletenosti svjetlosnog vala postoji u direktnom i komplementarnom odnosu s njegovim stupnjem polarizacije. Kako jedno raste, drugo opada, omogućavajući da se stupanj isprepletenosti izravno zaključi iz stupnja polarizacije i obrnuto. To znači da se teško mjerljiva optička svojstva, kao što su amplitude, faze i korelacije – možda čak i ona kvantnih valnih sustava – mogu izvesti iz nečega što je mnogo lakše izmjeriti: intenziteta svjetlosti.
“Znamo već više od stoljeća da svjetlost ponekad djeluje kao val, a ponekad kao čestica, ali pomirenje tih dvaju okvira pokazalo se izuzetno teškim,” rekao je Qian. “Naš rad ne rješava taj problem, ali pokazuje da postoje duboke veze između koncepta vala i čestica, ne samo na kvantnoj razini, već i na razini klasičnih svjetlosnih valova i sustava točkastih masa.”
Qianov tim koristio je mehaničku teoremu, izvorno razvijenu od strane Huygensa u knjizi iz 1673. o klatnima, koja objašnjava kako energija potrebna za rotaciju objekta varira ovisno o masi objekta i osi oko koje se okreće. “Ovo je dobro uspostavljena mehanička teorema koja objašnjava rad fizičkih sustava poput satova ili proteza,” objasnio je Qian. “Ali uspjeli smo pokazati da može pružiti nove uvide u funkcioniranje svjetlosti.”
Ova 350-godišnja teorema opisuje odnose između masa i njihovog rotacijskog momenta, pa kako bi se mogla primijeniti na svjetlost gdje nema mase za mjerenje? Qianov tim interpretirao je intenzitet svjetla kao ekvivalent mase fizičkog objekta, a zatim preslikao ta mjerenja na koordinatni sustav koji se mogao interpretirati pomoću Huygensove mehaničke teoreme. “U osnovi, pronašli smo način kako prevesti optički sustav tako da smo ga mogli vizualizirati kao mehanički sustav, a zatim ga opisati pomoću dobro uspostavljenih fizičkih jednadžbi,” objasnio je Qian.
Kada je tim vizualizirao svjetlosni val kao dio mehaničkog sustava, odmah su postale očite nove veze između svojstava vala – uključujući činjenicu da isprepletenost i polarizacija imaju jasan odnos jedna prema drugoj.
“To je nešto što prije nije bilo pokazano, ali postaje vrlo jasno čim se svojstva svjetlosti preslikaju na mehanički sustav,” rekao je Qian. “Ono što je nekad bilo apstraktno postaje konkretno: koristeći mehaničke jednadžbe, doslovno možete mjeriti udaljenost između ‘centra mase’ i drugih mehaničkih točaka kako biste pokazali kako se različita svojstva svjetlosti odnose jedno na drugo.”
Rasvjetljavanje ovih odnosa moglo bi imati važne praktične implikacije, omogućujući da se suptilna i teško mjerljiva svojstva optičkih sustava – ili čak kvantnih sustava – izvode iz jednostavnijih i robustnijih mjerenja intenziteta svjetlosti, objasnio je Qian. Špekulativnije, nalazi tima sugeriraju mogućnost korištenja mehaničkih sustava za simulaciju i bolje razumijevanje čudnih i složenih ponašanja kvantnih valnih sustava.
“To nam još uvijek predstoji, ali s ovom prvom studijom jasno smo pokazali da primjenom mehaničkih koncepta možemo razumjeti optičke sustave na potpuno nov način,” rekao je Qian. “U konačnici, ovo istraživanje pomaže pojednostaviti način na koji razumijemo svijet, omogućavajući nam prepoznavanje intrinzičnih temeljnih veza između naizgled nepovezanih fizičkih zakona.”
Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram –t.me/kozmoshr
