350

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1673 年、クリスティアン ホイヘンスは振り子とその仕組みに関する本を書きました。 同大学の声明によると、この本で言及されている機械定理は、350年後、スティーブンス工科大学の研究者らによって光の複雑な挙動を説明するために使用されたという。

人類は古くから知られていましたが、光の本質そのものを説明するのが難しいと感じてきました。 何世紀にもわたって、科学者たちはそれを波と呼ぶか粒子と呼ぶかについて意見が分かれていましたが、光が実際にどのようなものであるかについてある程度の合意が得られたように見えたとき、量子物理学は、光が同時に両方として存在することを示唆することで、新たな変化球を投げました。

以前は反対派の主張の反証に取り組んでいた研究者たちは、現在、光がどのように波と粒子の両方の特性を同時に示すのかを説明することに時間を費やしている。

そのために、スティーブンス工科大学の物理学教授、銭暁峰氏率いるチームは、振り子のような物体がどのように機能するかを説明する 350 年前の機械定理に注目しました。

ホイヘンスは、光は宇宙全体を波の形で伝播すると提案しました。 しかし、このオランダの物理学者は、物体を回転させるのに必要なエネルギーがその質量と回転させる軸にどのように依存するかについても説明しました。

この力学的定理は、惑星だけでなく振り子などの物体の動きを説明するために使用できます。

ただし、これを光に応用するには1つのハードルがありました。 この定理では物体の質量が使用されており、光には質量がありません。 したがって、銭氏のチームは、光の強度を物理的な物体の質量に相当するものとして使用しました。 その後、ホイヘンスの定理を解釈するために測定値を座標系にマッピングすることが可能になったと声明は付け加えた。

これにより、チームは光を機械システムの一部として視覚化することができ、もつれや偏光などの波の特性間の関係がより明確になったと研究者らは述べた。

光が波なのか粒子なのかについての 2 つの考え方を調和させることは特に困難でした。 新しい研究はこの問題を解決するものではありませんが、これら 2 つの枠組みの間には関連性があることを示しています。これらの枠組みは量子レベルだけでなく、波動や質点系を扱う古典物理学レベルにも存在します。

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「かつて抽象的だったものが具体的なものになります。力学的方程式を使用すると、文字通り『質量中心』と他の力学的点の間の距離を測定して、光のさまざまな特性が互いにどのように関係しているかを示すことができます」とQian氏は声明で述べた。

これらの関係をさらに調査することは、科学者が測定が難しい光学系だけでなく量子系の特性を評価する際にも役立ちます。 これらのシステムの控除は、達成がはるかに簡単であるだけでなく、データ収集の観点からより堅牢である光測定を使用して実行できるようになりました。

さらに、研究者は同じシステムを適用して、量子波動システムで見られる複雑な挙動を調査することもできます。 「最終的に、この研究は、一見無関係な物理法則間の本質的な根底にあるつながりを認識できるようになり、世界を理解する方法を単純化するのに役立ちます」とQian氏は付け加えた。

研究結果は、『Physical Review Research』誌に掲載されました。

抽象的な

光学と力学は物理学の 2 つの異なる分野ですが、それらは関連しています。 光の幾何学的/光線処理が粒子の運動の機械的記述と直接類似していることはよく知られています。 しかし、コヒーレンス波動光学と古典力学との関連性はほとんど報告されていない。 今回我々は、ホイヘンスとフレネルが開拓した光の波動記述に基づく2つの光コヒーレンス特性である偏光ともつれの体系的な定量分析を通じて、この2つの関係を報告する。 一般的な相補的恒等関係が任意のライトフィールドに対して得られます。 さらに驚くべきことに、重心座標系を通じて、光の偏光、もつれ、およびそれらの恒等関係は、剛体の回転に関するホイヘンス・シュタイナーの定理を介して、質量中心および慣性モーメントの機械的概念と定量的に関連付けられることが示されています。 得られた結果は、ホイヘンスの 2 つの理論を通じてコヒーレンス波動光学と古典力学を橋渡しします。