Forscher haben einen 350 Jahre alten mechanischen Satz genutzt, der üblicherweise auf greifbare Objekte angewendet wird, um neue Erkenntnisse über die Natur des Lichts zu gewinnen. Indem sie die Lichtintensität als Äquivalent zur physikalischen Masse interpretierten, ordneten sie Licht einem System zu, auf das etablierte mechanische Gleichungen angewendet werden konnten. Dieser Ansatz zeigt einen direkten Zusammenhang zwischen dem Grad der Nichtquantenverschränkung von Lichtwellen und ihrem Polarisationsgrad. Diese Erkenntnisse könnten das Verständnis komplexer optischer und Quanteneigenschaften durch direktere Messungen der Lichtintensität vereinfachen.
Forscher am Stevens Institute of Technology haben einen 350 Jahre alten Satz, der ursprünglich zur Beschreibung des Verhaltens von Pendeln und Planeten verwendet wurde, angewendet, um neue Eigenschaften von Lichtwellen aufzudecken.
Seit Isaac Newton und Christiaan Huygens im 17. Jahrhundert über die Natur des Lichts debattierten, beschäftigt sich die wissenschaftliche Gemeinschaft mit der Frage: Ist Licht eine Welle oder ein Teilchen – oder auf der Quantenebene eine Welle oder ein Teilchen? Jetzt haben Forscher am Stevens Institute of Technology eine neue Verbindung zwischen den beiden Ideen aufgedeckt und dabei einen 350 Jahre alten mechanischen Satz verwendet, der häufig zur Beschreibung der Bewegung großer physikalischer Objekte wie Pendel und Planeten verwendet wird, um einige der komplexesten Verhaltensweisen von Lichtwellen zu erklären.
Aufdecken von Zusammenhängen zwischen Lichteigenschaften
Diese Forschungsarbeit unter der Leitung von Qian Xiaofeng, Assistenzprofessor für Physik an der Stevens University, wurde am 17. August in der online veröffentlichten Zeitschrift Physical Review Research veröffentlicht. Sie bewies auch zum ersten Mal, dass es einen direkten komplementären Zusammenhang zwischen dem Grad der Nichtquantenverschränkung von Lichtwellen und ihrem Polarisationsgrad gibt. Wenn einer nach oben geht, geht der andere nach unten, sodass der Grad der Verschränkung direkt aus dem Grad der Polarisation abgeleitet werden kann und umgekehrt. Dies bedeutet, dass schwer zu messende optische Eigenschaften wie Amplitude, Phase und Korrelation und sogar Eigenschaften von Quantenwellensystemen aus etwas viel einfacher zu messender Lichtintensität abgeleitet werden können.
Physiker am Stevens Institute of Technology haben neue Eigenschaften von Lichtwellen entdeckt, indem sie einen 350 Jahre alten Satz zur Erklärung der Funktionsweise von Pendeln und Planeten verwendeten. Bildquelle: Stevens Institute of Technology
„Seit mehr als einem Jahrhundert wissen wir, dass sich Licht manchmal wie eine Welle und manchmal wie ein Teilchen verhält, aber diese beiden Systeme in Einklang zu bringen hat sich als äußerst schwierig erwiesen, und unsere Arbeit löst das Problem nicht – sie zeigt jedoch, dass es tiefe Zusammenhänge zwischen Wellen- und Teilchenkonzepten nicht nur auf Quantenebene, sondern auch auf der Ebene klassischer Lichtwellen und Punktmassensysteme gibt“, sagte Qian Yongjian.
Anwendung der mechanischen Theoreme von Huygens auf Licht
Das Team verwendete einen mechanischen Satz, der ursprünglich von Huygens in einem Buch über Pendel aus dem Jahr 1673 vorgeschlagen wurde und erklärt, wie die zum Drehen eines Objekts erforderliche Energie mit der Masse und der Rotationsachse des Objekts variiert. „Das ist ein altbewährtes mechanisches Theorem, das erklärt, wie physikalische Systeme wie Uhren oder Prothesen funktionieren. Wir konnten aber zeigen, dass es auch neue Erkenntnisse über die Funktionsweise von Licht liefern kann.“
Dieser 350 Jahre alte Satz beschreibt die Beziehung zwischen Massen und ihrem Rotationsimpuls. Wie kann er also auf Licht angewendet werden, wenn es keine zu messende Masse gibt? Qians Team interpretierte die Lichtintensität als Äquivalent zur Masse eines physischen Objekts und ordnete diese Messungen dann einem Koordinatensystem zu, das mit den mechanischen Theoremen von Huygens erklärt werden konnte. Im Grunde fanden sie einen Weg, ein optisches System so umzuwandeln, dass es als mechanisches System visualisiert und dann mithilfe vollständiger physikalischer Gleichungen beschrieben werden konnte.
Als das Team die Lichtwellen als Teil eines mechanischen Systems visualisierte, wurden sofort neue Zusammenhänge zwischen ihren Eigenschaften deutlich – einschließlich einer klaren Beziehung zwischen Verschränkung und Polarisation.
Qian Yongjian sagte: „Das wurde noch nie zuvor nachgewiesen, aber sobald die Eigenschaften des Lichts einem mechanischen System zugeordnet werden, wird es sehr deutlich. Was einst abstrakt war, wird konkret: Mithilfe mechanischer Gleichungen kann der Abstand zwischen dem ‚Massenschwerpunkt‘ und anderen mechanischen Punkten realistisch gemessen werden und so die Beziehung zwischen verschiedenen Eigenschaften des Lichts aufgezeigt werden.“
Die Klärung dieser Beziehungen könnte wichtige praktische Auswirkungen haben und es ermöglichen, subtile und schwer zu messende Eigenschaften optischer Systeme – sogar Quantensysteme – aus einfacheren, zuverlässigeren Messungen der Lichtintensität abzuleiten. Spekulativer ausgedrückt deuten die Ergebnisse des Teams darauf hin, dass es möglich sein könnte, mechanische Systeme zu verwenden, um das seltsame und komplexe Verhalten von Quantenwellensystemen zu simulieren und besser zu verstehen.
„Das liegt noch vor uns, aber mit dieser ersten Studie haben wir deutlich gezeigt, dass es möglich ist, optische Systeme durch die Anwendung mechanischer Konzepte auf völlig neue Weise zu verstehen. Letztendlich trägt diese Forschung dazu bei, die Art und Weise zu vereinfachen, wie wir die Welt verstehen, und ermöglicht es uns, die intrinsischen Zusammenhänge zwischen scheinbar nicht zusammenhängenden physikalischen Gesetzen zu erkennen“, sagte Qian Yongjian.