物理学家利用 350 年前的定理揭示光波的新特性

史蒂文斯理工学院（Stevens Institute of Technology）的物理学家利用一个有 350 年历史的定理来解释钟摆和行星的工作原理，从而揭示了光波的新特性。资料来源：史蒂文斯理工学院

自 17 世纪艾萨克-牛顿（Isaac Newton）和克里斯蒂安-惠更斯（Christiaan Huygens）首次争论光的本质以来，科学家们就一直在困惑，究竟是将光视为波还是粒子最合适--或许在量子层面上，甚至可以同时将两者视为波和粒子。现在，斯蒂文斯理工学院的研究人员揭示了这两种观点之间的新联系，他们利用一个有 350 年历史的机械定理--通常用于描述大型物理物体（如钟摆和行星）的运动--来解释光波的一些最复杂的行为。

这项由斯蒂文斯大学物理学助理教授钱晓峰领导的研究成果发表在8月17日在线出版的《物理评论研究》（Physical Review Research）杂志上，它还首次证明了光波的非量子纠缠程度与其偏振程度之间存在着直接的互补关系。一个上升，另一个就会下降，这样就能直接从偏振程度推断出纠缠程度，反之亦然。这意味着难以测量的光学特性，如振幅、相位和相关性，甚至量子波系统的这些特性，都可以从更容易测量的东西--光强度--中推导出来。

"钱永健说："一个多世纪以来，我们一直知道光有时表现得像波，有时表现得像粒子，但事实证明调和这两种框架极其困难，""我们的工作并没有解决这个问题--但它确实表明，波和粒子概念之间不仅在量子层面，而且在经典光波和点质量系统层面都存在着深刻的联系。

钱永健的团队使用了惠更斯最初在 1673 年一本关于钟摆的书中提出的力学定理，该定理解释了旋转物体所需的能量如何随物体的质量和旋转轴的不同而变化。"这是一个行之有效的机械定理，可以解释钟表或假肢等物理系统的工作原理。"但我们能够证明，它也能为光的工作原理提供新的见解。

这个有着350年历史的定理描述的是质量和它们的旋转动量之间的关系，那么在没有质量可测量的情况下，如何将它应用于光呢？钱永健的团队将光的强度解释为等同于物理物体的质量，然后将这些测量结果映射到一个坐标系上，这个坐标系可以用惠更斯力学定理来解释。"钱颖一解释说："从根本上说，我们找到了一种转换光学系统的方法，这样我们就能把它可视化为一个机械系统，然后用成熟的物理方程来描述它。

一旦研究小组将光波可视化为机械系统的一部分，光波特性之间的新联系就会立即显现出来--包括纠缠和偏振之间的明确关系。

"钱永健说："这是以前从未展示过的，但一旦把光的特性映射到机械系统上，就会变得非常清晰。"曾经抽象的东西变得具体了：利用机械方程，你可以实实在在地测量'质心'和其他机械点之间的距离，从而显示光的不同属性之间的关系。

钱永健解释说，澄清这些关系可能会产生重要的实际影响，使光学系统--甚至量子系统--的微妙和难以测量的特性可以从更简单、更可靠的光强度测量中推导出来。更推测性的是，研究小组的发现表明，有可能利用机械系统来模拟和更好地理解量子波系统奇特而复杂的行为。

"钱颖一说："这仍然摆在我们面前，但通过第一项研究，我们已经清楚地表明，通过应用力学概念，我们有可能以一种全新的方式理解光学系统。"最终，这项研究有助于简化我们理解世界的方式，让我们认识到表面上互不相关的物理定律之间的内在联系。

参考资料

Xiao-Feng Qian et al, Bridging coherence optics and classical mechanics: A generic light polarization-entanglement complementary relation, Physical Review Research (2023). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.033110