自17世纪以来，艾萨克·牛顿与克里斯蒂安·惠更斯首次探讨光的本质，科学家们一直在思考光究竟是波动还是粒子，或者在量子层面上，是否可以同时被视为波和粒子。如今，史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，利用一个已有350年历史的力学定理来解释光波的一些复杂行为。这个定理通常用于描述像钟摆和行星等大型物理物体的运动。
这项研究由史蒂文斯大学的物理学助理教授钱晓峰领导，成果于8月17日发表在《物理评论研究》网络版上，首次证明光波的非量子纠缠程度与其极化程度之间存在直接的互补关系。当一个上升时，另一个则下降，从而使得纠缠水平可以直接从极化水平推断出来，反之亦然。这意味着一些难以测量的光学特性，如振幅、相位和相关性，甚至可能是量子波系统的这些特性，可以从更容易测量的光强度中推导出来。
“一个多世纪以来，我们知道光有时表现得像波，有时又像粒子，但调和这两种框架一直非常困难，”钱表示，“我们的研究并没有解决这个问题，但它确实表明波和粒子之间存在深刻的联系，这种联系不仅在量子层面上，也在经典光波和点质量系统的层面上。”
钱的团队使用了一个力学定理，该定理最初由惠更斯在1673年关于钟摆的书中提出，解释了旋转物体所需的能量如何随着物体的质量和旋转轴的变化而变化。钱解释道：“这是一个完善的力学定理，可以解释时钟或假肢等物理系统的工作原理。我们能够证明，它也可以为光的工作原理提供新的见解。”
这个已有350年历史的定理描述了质量与旋转动量之间的关系，那么它如何应用于没有可测量质量的光呢？钱的团队将光的强度视为物理物体质量的等量物，然后将这些测量结果映射到一个可以用惠更斯力学定理解释的坐标系中。“从本质上讲，我们找到了一种方法来转换光学系统，使其可以被视为一个机械系统，并用成熟的物理方程来描述它，”钱解释说。
一旦团队将光波可视化为机械系统的一部分，波的性质之间的新联系便显而易见，包括纠缠和极化之间存在明确关系的事实。
钱表示：“这是以前未被证明的，但一旦你将光的特性映射到机械系统上，这一点就变得非常清晰。曾经抽象的概念变得具体：使用力学方程，你可以从字面上测量'质心'和其他机械点之间的距离，以展示光的不同性质如何相互关联。”
澄清这些关系可能具有重要的实际意义，使光学系统，甚至量子系统，能够从更简单和更可靠的光强度测量中推断出微妙且难以测量的特性，钱解释说。更值得注意的是，研究小组的发现表明，利用机械系统来模拟和更好地理解量子波系统的奇特而复杂的行为是可能的。
“这仍然在我们的前面，但通过这项初步研究，我们已经清楚地表明，通过应用机械概念，有可能以全新的方式理解光学系统，”钱说。“最终，这项研究有助于简化我们理解世界的方式，让我们意识到看似不相关的物理定律之间潜在的内在联系。”
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希望本篇文章《机械师探索光的奥秘与应用》能对你有所帮助！
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