研究人员利用一个有350年历史的力学定理，揭示了关于光的本质的新见解，该定理通常适用于有形物体。通过将光的强度解释为物理质量的等量物，他们将光映射到一个可以应用已建立的力学方程的系统中。这种方法揭示了光波的非量子纠缠度与其偏振度之间的直接关联。这些发现可以通过更直接的光强度测量来简化对复杂光学和量子特性的理解。
自从17世纪艾萨克·牛顿(Isaac Newton)和克里斯蒂安·惠更斯(christian Huygens)对光的本质进行辩论以来，科学界一直在努力解决这样一个问题:光是波还是粒子?或者，在量子层面上，甚至同时是波还是粒子?现在，史蒂文斯理工学院的研究人员揭示了这两种观点之间的新联系，他们使用了一个有350年历史的力学定理来解释光波的一些最复杂的行为。这个定理通常用于描述像钟摆和行星这样的大型物理物体的运动。
发现有限公司光属性之间的连接
这项由史蒂文斯大学物理学助理教授钱晓峰领导的研究成果发表在8月17日的《物理评论研究》网络版上，首次证明了光波的非量子纠缠程度与其极化程度存在直接互补关系。当一个上升时，另一个下降，使得纠缠水平可以直接从极化水平推断出来，反之亦然。这意味着难以测量的光学特性，如振幅、相位和相关性——甚至可能是量子波系统的光学特性——可以从更容易测量的东西中推断出来:光强度。
史蒂文斯理工学院(Stevens Institute of Technology)的物理学家利用一个已有350年历史的定理揭示了光波的新特性，该定理解释了钟摆和行星的运作。资料来源:史蒂文斯理工学院
“一个多世纪以来，我们已经知道光有时表现得像波，有时表现得像粒子，但要调和这两个框架已经被证明是极其困难的，”钱说，“我们的工作并没有解决这个问题，但它确实表明，波和粒子概念之间存在着深刻的联系，不仅在量子层面，而且在经典光波和点质量系统的层面。”
惠更斯力学定理在光中的应用
钱的团队使用了一个力学定理，这个定理最初是由惠更斯在1673年一本关于钟摆的书中提出的，它解释了旋转物体所需的能量是如何随着物体的质量和旋转的轴而变化的。钱解释说:“这是一个完善的力学定理，可以解释时钟或假肢等物理系统的工作原理。”“但我们能够证明，它也可以为光的工作原理提供新的见解。”
这个有350年历史的定理描述了质量和它们的旋转动量之间的关系，那么它如何应用于没有质量可测量的光呢?钱的团队将光的强度解释为物理物体质量的等量物，然后将这些测量结果映射到一个可以用惠更斯力学定理解释的坐标系上。“从本质上讲，我们找到了一种方法来转换光学系统，这样我们就可以把它想象成一个机械系统，然后用成熟的物理方程来描述它，”钱解释说。
一旦团队将光波可视化为机械系统的一部分，波的性质之间的新联系立即变得明显-包括纠缠和极化彼此之间存在明确关系的事实。
钱说:“这是以前没有被证明过的东西，但是一旦你把光的特性映射到一个机械系统上，这一点就变得非常清楚了。”“曾经抽象的东西变得具体起来:使用力学方程，你可以从字面上测量'质心'和其他机械点之间的距离，以显示光的不同性质如何相互关联。”
澄清这些关系可能具有重要的实际意义，允许光学系统-甚至量子系统-从更简单和更可靠的光强度测量中推断出微妙和难以测量的特性，Qian解释说。更值得推测的是，研究小组的发现表明，利用机械系统来模拟和更好地理解量子波系统奇怪而复杂的行为是可能的。
“这仍然在我们的前面，但通过这第一次研究，我们已经清楚地表明，通过应用机械概念，有可能以一种全新的方式理解光学系统，”钱说。“最终，这项研究有助于简化我们理解世界的方式，让我们认识到看似不相关的物理定律之间内在的潜在联系。”
参考文献:“桥接相干光学与经典力学:一个一般的光偏振-纠缠互补关系”，钱晓峰和Misagh Izadi, 2023年8月17日，物理评论研究。DOI: 10.1103 / PhysRevResearch.5.033110
