Các nhà nghiên cứu đã tiết lộ những hiểu biết mới về bản chất của ánh sáng bằng cách sử dụng một định lý cơ học 350 năm tuổi thường được áp dụng cho các vật thể hữu hình. Bằng cách giải thích cường độ ánh sáng tương đương với khối lượng vật lý, họ đã ánh xạ ánh sáng lên một hệ thống mà các phương trình cơ học đã được thiết lập có thể được áp dụng. Cách tiếp cận này cho thấy mối tương quan trực tiếp giữa mức độ vướng víu phi lượng tử của sóng ánh sáng và mức độ phân cực của chúng. Những phát hiện này có thể đơn giản hóa sự hiểu biết về các tính chất quang học và lượng tử phức tạp thông qua các phép đo cường độ ánh sáng trực tiếp hơn.
Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Stevens đã áp dụng một định lý 350 năm tuổi ban đầu được sử dụng để mô tả hành vi của các con lắc và hành tinh nhằm tiết lộ các đặc tính mới của sóng ánh sáng.
Kể từ khi Isaac Newton và Christiaan Huygens tranh luận về bản chất của ánh sáng vào thế kỷ 17, cộng đồng khoa học đã phải vật lộn với câu hỏi: Ánh sáng là sóng hay hạt—hay ở cấp độ lượng tử, là sóng hay hạt? Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Stevens vừa tiết lộ mối liên hệ mới giữa hai ý tưởng, sử dụng định lý cơ học 350 năm tuổi – thường được sử dụng để mô tả chuyển động của các vật thể vật lý lớn như con lắc và hành tinh – để giải thích một số hành vi phức tạp nhất của sóng ánh sáng.
Tiết lộ mối liên hệ giữa các đặc tính ánh sáng
Nghiên cứu do Qian Xiaofeng, trợ lý giáo sư vật lý tại Đại học Stevens dẫn đầu. Công trình nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Physical Review Research được công bố trực tuyến vào ngày 17 tháng 8. Nó cũng lần đầu tiên chứng minh rằng có một sự trực tiếp mối quan hệ bổ sung giữa mức độ vướng víu phi lượng tử của sóng ánh sáng và mức độ phân cực của chúng. Khi một cái đi lên thì cái kia đi xuống, do đó mức độ vướng víu có thể được suy ra trực tiếp từ mức độ phân cực và ngược lại. Điều này có nghĩa là các đặc tính quang học khó đo như biên độ, pha và mối tương quan, và thậm chí cả các đặc tính của hệ sóng lượng tử, có thể được suy ra từ một thứ dễ đo hơn nhiều: cường độ ánh sáng.
Các nhà vật lý tại Viện Công nghệ Stevens đã tiết lộ những tính chất mới của sóng ánh sáng bằng cách sử dụng một định lý 350 năm tuổi để giải thích cách hoạt động của các con lắc và hành tinh. Nguồn hình ảnh: Viện Công nghệ Stevens
Yongjian Qian cho biết: "Trong hơn một thế kỷ, chúng ta đã biết rằng ánh sáng đôi khi hành xử như sóng và đôi khi hành xử như hạt, nhưng việc dung hòa hai khuôn khổ này tỏ ra vô cùng khó khăn và công trình của chúng tôi không giải quyết được vấn đề này - nhưng nó cho thấy có mối liên hệ chặt chẽ giữa các khái niệm sóng và hạt không chỉ ở cấp độ lượng tử mà còn ở cấp độ sóng ánh sáng cổ điển và hệ thống khối lượng điểm. Có một mối liên hệ sâu sắc. Nhóm H74 đã sử dụng một định lý cơ học do Huygens đề xuất ban đầu trong một cuốn sách về con lắc năm 1673, giải thích năng lượng cần thiết để quay một vật thể thay đổi như thế nào theo khối lượng và trục quay của vật thể. "Đây là một định lý cơ học có cơ sở vững chắc giải thích cách thức hoạt động của các hệ thống vật lý như đồng hồ hoặc chân tay giả.
Định lý 350 năm tuổi này mô tả mối quan hệ giữa khối lượng và động lượng quay của chúng, vậy làm thế nào nó có thể áp dụng cho ánh sáng khi không có khối lượng để đo? Nhóm của Qian đã giải thích cường độ ánh sáng tương đương với khối lượng của một vật thể vật lý và sau đó ánh xạ các phép đo này lên một hệ tọa độ có thể được giải thích bằng cơ học Huygens Về cơ bản, họ đã tìm ra cách biến đổi một hệ quang học để nó có thể được hình dung như một hệ cơ học và sau đó mô tả bằng các phương trình vật lý chính thức
.Khi đội nghiên cứu hình dung sóng ánh sáng như một phần của một hệ cơ học, những mối liên hệ mới giữa các đặc tính của chúng ngay lập tức trở nên rõ ràng – bao gồm cả mối quan hệ rõ ràng giữa sự vướng víu và sự phân cực.
Qian Yongjian cho biết: "Điều này chưa bao giờ được chứng minh trước đây, nhưng một khi các đặc tính của ánh sáng được ánh xạ tới một hệ cơ học, nó sẽ trở nên rất rõ ràng. Điều từng trừu tượng trở nên cụ thể: sử dụng các phương trình cơ học, khoảng cách giữa 'tâm khối' và các điểm cơ học khác có thể được đo một cách thực tế"
các đặc tính khó đo của hệ quang học - thậm chí cả hệ lượng tử - được rút ra từ các phép đo cường độ ánh sáng đơn giản hơn, đáng tin cậy hơn. Suy đoán hơn, phát hiện của nhóm cho thấy có thể sử dụng các hệ cơ học để mô phỏng và hiểu rõ hơn về hành vi kỳ lạ và phức tạp của các hệ sóng lượng tử.
Qian Yongjian cho biết: "Điều này vẫn còn ở trước mắt chúng tôi, nhưng với nghiên cứu đầu tiên này, chúng tôi đã chỉ ra rõ ràng rằng có thể hiểu được hệ thống quang học theo một cách hoàn toàn mới bằng cách áp dụng các khái niệm cơ học. Cuối cùng, nghiên cứu này giúp đơn giản hóa cách chúng ta hiểu về thế giới, cho phép chúng ta nhận ra mối liên hệ nội tại giữa các quy luật vật lý dường như không liên quan."