Fizičari iskoristili 350 godina staru teoremu da otkriju nova svojstva svetlosti

Foto: Aleksandr Matveev / Alamy / Alamy / Profimedia

Naučnici još od 17. veka, kada su Isak Njutn i Kristijan Hajgens prvi raspravljali o prirodi svetlosti, nisu sigurni da li je najbolje da svetlost vide kao talase ili kao čestice, ili, na kvantnom nivou, i kao talase i kao čestice istovremeno. Istraživači Instituta tehnologije Stivens u SAD otkrili su novu vezu između dva gledišta, koristeći mehaničku teoremu staru 350 godina, obično korišćenu da se opiše kretanje velikih objekata poput klatna ili planeta, da objasne najkompleksnije ponašanje talasa svetlosti, piše Psych.org.

Istraživanje je predvodio Šaofeng Kijan, profesor fizike na Stivensu, a objavljeno je u žurnalu Physical Review Research. Ono takođe pokazuje prvi put da stepen nekvantne zapetljanosti talasa svetlosti postoji u direktnom i komplementarnom odnosu sa stepenom polarizacije. Kako se jedan diže, drugi pada, čime se omogućuje da nivo zapetljanosti zaključuje iz nivoa polarizacije i obrnuto. To znači da optička svojstva koja je teško izmeriti poput amplituda, faza i korelacija mogu da se otkriju iz nečega što je mnogo lakše izmeriti – intenziteta svetlosti.

Preporučujemo

- Znamo više od jednog veka da se svetlost nekad ponaša kao talas, nekad kao čestica, ali pomirenje ta dva okvira pokazalo se izuzetno teškim. Naš rad ne rešava taj problem, ali pokazuje da postoje značajne veze između koncepta talasa i čestice ne samo na kvantnom nivou, već i na nivou klasičnih talasnih dužina svetla i centra mase – rekao je Kijan.

Njegov tim koristio je mehaničku teoremu, koju je razvio Hajgens 1673. u knjizi o klatnima, a prema kojoj energija potrebna za rotiranje objekta varira u zavisnosti od mase objekta i ose oko koje se kreće.

- To je dokazana mehanička teorema koja objašnjava rad sistema poput sata ili protetičkih udova. Ali mi smo uspeli da pokažemo da bi mogla da nam da nova znanja i o tome kako svetlost funkcioniše – rekao je Kijan.

Ova teorema stara tri i po veka opisuje odnos između mase i obrtnog momenta, pa kako ona može da se primeni na svetlost kada ona nema masu koja može da se izmeri. Kijanov tim interpretirao je intenzitet svetla kao ekvivalent mase fizičkog objekta, a onda je mapirao te mere u koordinatni sistem koji bi mogao da se razume korišćenjem Hajgensove mehaničke teoreme.

- U suštini, našli smo način da prevedemo optičke sisteme tako da ih vizualizujemo kao mehaničke sisteme, a onda da ih objasnimo koristeći dobro poznate fizičke jednačine -objasnio je Kijan.

Nakon toga, nove veze između svojstva talasa postala su jasna, uključujući i činjenicu da su zapetljanost i polarizacija u direktnoj vezi.

- To je nešto što nije bilo ranije pokazano, ali postalo je jasno kada smo mapirali svojstva svetlosti na mehaničke sisteme. Ono što je bilo apstraktno postalo je konkretno: koristeći mehaničke jednačine može da se meri rastojanje između „centra mase“ i drugih mehaničkih jedinica da se pokaže kako su različita svojstva svetla povezana jedna s drugim – rekao je Kijan.

Objašnjenje ovih odnosa može da ima značajne praktične implikacije, dodao je, može da dozvoli da se suptilna i teško merljiva svojstva optičkih, pa čak i kvantnih sistema, zaključuju iz jednostavnijih mera intenziteta svetlosti. Postoji i mogućnost da se mehanički sistemi koriste za bolje razumevanje čudnog i kompleksnog ponašanja sistema kvantnih talasa.

- Naše istraživanje pomaže da pojednostavimo način na koji razumemo svet tako što prepoznajemo unutrašnje veze između naizgled nepovezanih zakona fizike – rekao je Kijan, a prenosi Psych.org.

(Telegraf Nauka/Psych.org)