Isaac Newton ve Christiaan Huygens 17. yüzyılda ışığın doğası hakkında ilk kez tartıştıklarından beri bilim insanları ışığın dalga mı yoksa parçacık olarak mı daha iyi anlaşılabileceği, hatta kuantum düzeyinde her ikisinin de aynı anda var olup olmadığı üzerine kafa yoruyor.
Genellikle gezegenler ve sarkaçlar gibi büyük, fiziksel nesnelerin hareketini tanımlamak için kullanılan 350 yıllık bir mekanik teorem, Stevens Teknoloji Enstitüsü araştırmacıları tarafından ışık dalgalarının en karmaşık davranışlarından bazılarını açıklamak için kullanıldı.
Stevens’ta fizik profesörü olan Xiaofeng Qian tarafından yönetilen ve Physical Review Research dergisinin 17 Ağustos tarihli çevrimiçi sayısında yayınlanan araştırma, aynı zamanda ilk kez bir ışık dalgasının polarizasyon derecesi ile kuantum olmayan dolanıklık arasında bir ilişki kuruyor. Biri arttıkça diğeri azalıyor, bu da dolanıklık seviyesini ve tersini doğrudan kutuplaşma seviyesinden belirlemeyi mümkün kılıyor.
Sonuç olarak, genlikler, fazlar ve korelasyonlar gibi ölçülmesi zor optik özellikleri (muhtemelen kuantum dalga sistemlerinin bile) ölçülmesi çok daha basit olan bir şeyden, ışık yoğunluğundan çıkarmak mümkündür.
Qian’a göre, araştırmacılar bir asırdan uzun bir süredir ışığın hem dalga hem de parçacık olarak hareket edebileceğini kabul ediyor, ancak bu iki modeli uzlaştırmanın oldukça zor olduğu kanıtlandı. Araştırmamız bu soruna bir çözüm getirmiyor, ancak dalga ve parçacık kavramları arasında sadece kuantum düzeyinde değil, aynı zamanda klasik ışık-dalga ve nokta-kütle sistemleri düzeyinde de var olan güçlü bağlantıları gösteriyor.
Huygens’in ilk olarak 1673’te yayınlanan sarkaçlar üzerine bir kitapta önerdiği mekanik bir teorem, Qian’ın ekibi tarafından bir nesneyi döndürmek için gereken enerji miktarının kütlesi ve etrafında döndüğü eksenle nasıl değiştiğini açıklamak için kullanılmıştır. Bu, saatler ve yapay uzuvlar gibi fiziksel cihazların nasıl çalıştığını açıklayan iyi bilinen bir mekanik teoremdir.
Ancak ışığın nasıl işlediğine dair yeni perspektifler de sağlayabileceğini gösterebildik.
Kütleler ve onların dönen momentumları arasındaki ilişkileri tanımladığına göre, ölçülecek bir kütle yoksa bu 350 yıllık teorem ışığa nasıl uygulanabilir? Qian’ın ekibi tarafından yapılan ölçümler, bir ışığın yoğunluğundan fiziksel bir nesnenin eşdeğer kütlesine çevrildikten sonra Huygens’in mekanik teoreminin uygulanmasıyla anlaşılabilecek bir koordinat sistemine eşleştirildi. Basitçe ifade etmek gerekirse Qian şunları söyledi: “Optik bir sistemi mekanik bir sisteme dönüştürmek için bir mekanizma geliştirdik ve ardından iyi kurulmuş fizik denklemlerini kullanarak bunu karakterize ettik.
Dolanıklık ve kutuplaşmanın birbiriyle açık bir ilişki içinde olması da dahil olmak üzere dalganın özellikleri arasındaki yeni bağlantılar, ekip bir ışık dalgasını mekanik bir sistemin bileşeni olarak görselleştirdiğinde hemen anlaşıldı.
Qian’a göre, bu daha önce hiç gösterilmemişti, ancak ışığın özellikleri mekanik bir sisteme yansıtıldığında, bu çok açık bir şekilde ortaya çıkıyor. “Bir zamanlar soyut olan şey somut hale geliyor: mekanik denklemleri kullanarak, ışığın farklı özelliklerinin birbiriyle nasıl ilişkili olduğunu göstermek için ‘kütle merkezi’ ile diğer mekanik noktalar arasındaki mesafeyi tam anlamıyla ölçebilirsiniz.”
Qian’a göre bu ilişkilerin açıklığa kavuşturulması, optik sistemlerin ve hatta kuantum sistemlerinin karmaşık ve zorlu özelliklerinin daha basit ve güvenilir ışık yoğunluğu ölçümlerinden çıkarılmasını sağlayarak önemli pratik sonuçlara yol açabilir. Daha spekülatif olarak, ekibin bulguları, kuantum dalga sistemlerinin tuhaf ve karmaşık davranışlarını mekanik sistemler kullanarak simüle etme ve daha iyi anlama olasılığına işaret ediyor.
Qian, “Bu hala önümüzde duruyor, ancak bu ilk çalışmayla, mekanik kavramları uygulayarak optik sistemleri tamamen yeni bir şekilde anlamanın mümkün olduğunu açıkça gösterdik” dedi. Sonuçta bu araştırma, ilk bakışta birbiriyle bağlantısız gibi görünen fiziksel ilkeler arasındaki temel bağlantıları görmemizi sağlayarak dünyayı kavrayışımızı basitleştirmemize yardımcı oluyor.
Kaynak: phys.org/news/2023-08-physicists-year-old-theorem-reveal-properties.html
