Onderzoekers hebben een 350 jaar oude mechanische stelling gebruikt die vaak wordt toegepast op tastbare objecten om nieuwe inzichten in de aard van licht te onthullen. Door de intensiteit van licht te interpreteren als gelijkwaardig aan fysieke massa, brachten ze licht in kaart in een systeem waarop gevestigde mechanische vergelijkingen konden worden toegepast. Deze benadering onthult een directe correlatie tussen de mate van niet-kwantumverstrengeling van lichtgolven en hun mate van polarisatie. Deze bevindingen zouden het begrip van complexe optische en kwantumeigenschappen kunnen vereenvoudigen door directere metingen van de lichtintensiteit.
Onderzoekers van het Stevens Institute of Technology hebben een 350 jaar oude stelling toegepast die oorspronkelijk werd gebruikt om het gedrag van slingers en planeten te beschrijven om nieuwe eigenschappen van lichtgolven te onthullen.
Sinds Isaac Newton en Christiaan Huygens in de 17e eeuw debatteerden over de aard van licht, worstelt de wetenschappelijke gemeenschap met de vraag: is licht een golf of een deeltje – of, op kwantumniveau, een golf of een deeltje? Nu hebben onderzoekers van het Stevens Institute of Technology een nieuw verband tussen de twee ideeën onthuld, waarbij ze gebruik maken van een 350 jaar oude mechanische stelling – vaak gebruikt om de beweging van grote fysieke objecten zoals slingers en planeten te beschrijven – om enkele van de meest complexe gedragingen van lichtgolven te verklaren.
Verbindingen tussen lichteigenschappen onthullen
Dit onderzoekswerk, geleid door Qian Xiaofeng, universitair docent natuurkunde aan de Stevens Universiteit, werd gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Research dat op 17 augustus online werd gepubliceerd. Het bewees ook voor het eerst dat er een directe complementaire relatie bestaat tussen de mate van niet-kwantumverstrengeling van lichtgolven en hun mate van polarisatie. Terwijl de een omhoog gaat, gaat de ander omlaag, dus de mate van verstrengeling kan rechtstreeks worden afgeleid uit de mate van polarisatie, en omgekeerd. Dit betekent dat moeilijk te meten optische eigenschappen zoals amplitude, fase en correlatie, en zelfs eigenschappen van kwantumgolfsystemen, kunnen worden afgeleid van iets dat veel gemakkelijker te meten is: de lichtintensiteit.
Natuurkundigen van het Stevens Institute of Technology hebben nieuwe eigenschappen van lichtgolven onthuld door een 350 jaar oude stelling te gebruiken om uit te leggen hoe slingers en planeten werken. Bron afbeelding: Stevens Institute of Technology
"Al meer dan een eeuw weten we dat licht zich soms als een golf en soms als een deeltje gedraagt, maar het met elkaar verzoenen van deze twee raamwerken is uiterst moeilijk gebleken, en ons werk lost het probleem niet op - maar het laat wel zien dat er diepe verbindingen bestaan tussen golf- en deeltjesconcepten, niet alleen op kwantumniveau, maar ook op het niveau van klassieke lichtgolven en puntmassasystemen", aldus Qian Yongjian.
De mechanische stellingen van Huygens toepassen op licht
Het team gebruikte een mechanische stelling die oorspronkelijk door Huygens was voorgesteld in een boek over slingers uit 1673, waarin wordt uitgelegd hoe de energie die nodig is om een object te roteren varieert met de massa en de rotatieas van het object. "Dit is een gevestigde mechanische stelling die verklaart hoe fysieke systemen zoals klokken of protheses werken. Maar we hebben kunnen laten zien dat het ook nieuwe inzichten kan opleveren in hoe licht werkt."
Deze 350 jaar oude stelling beschrijft de relatie tussen massa's en hun rotatiemomentum, dus hoe kan deze worden toegepast op licht als er geen massa is om te meten? Het team van Qian interpreteerde de intensiteit van het licht als gelijkwaardig aan de massa van een fysiek object en bracht deze metingen vervolgens in kaart in een coördinatensysteem dat verklaard kon worden met behulp van de mechanische stellingen van Huygens. Kortom, ze vonden een manier om een optisch systeem te transformeren, zodat het kon worden gevisualiseerd als een mechanisch systeem en vervolgens kon worden beschreven met behulp van volwaardige natuurkundige vergelijkingen.
Toen het team de lichtgolven eenmaal visualiseerde als onderdeel van een mechanisch systeem, werden nieuwe verbindingen tussen hun eigenschappen onmiddellijk duidelijk - inclusief een duidelijke relatie tussen verstrengeling en polarisatie.
Qian Yongjian zei: "Dit is nog nooit eerder aangetoond, maar zodra de eigenschappen van licht in kaart worden gebracht in een mechanisch systeem, wordt het heel duidelijk. Wat ooit abstract was, wordt concreet: met behulp van mechanische vergelijkingen kan de afstand tussen het 'massamiddelpunt' en andere mechanische punten realistisch worden gemeten, waardoor de relatie tussen verschillende eigenschappen van licht wordt aangetoond."
Het verduidelijken van deze relaties zou belangrijke praktische implicaties kunnen hebben, waardoor subtiele en moeilijk te meten eigenschappen van optische systemen – zelfs kwantumsystemen – kunnen worden afgeleid uit eenvoudigere, betrouwbaardere metingen van de lichtintensiteit. Meer speculatief suggereren de bevindingen van het team dat het mogelijk kan zijn om mechanische systemen te gebruiken om het vreemde en complexe gedrag van kwantumgolfsystemen te simuleren en beter te begrijpen.
"Dit ligt nog voor ons, maar met deze eerste studie hebben we duidelijk aangetoond dat het mogelijk is om optische systemen op een geheel nieuwe manier te begrijpen door mechanische concepten toe te passen. Uiteindelijk helpt dit onderzoek de manier waarop we de wereld begrijpen te vereenvoudigen, waardoor we de intrinsieke verbindingen kunnen herkennen tussen ogenschijnlijk niet-gerelateerde natuurkundige wetten, " zei Qian Yongjian.