Seit dem 17. Jahrhundert, als Isaac Newton und Christiaan Huygens erstmals über die Natur des Lichts debattierten, rätseln Wissenschaftler darüber, ob Licht besser als Welle oder als Teilchen betrachtet werden kann – oder auf der Quantenebene vielleicht sogar als beides gleichzeitig. Jetzt haben Forscher am Stevens Institute of Technology eine neue Verbindung zwischen den beiden Perspektiven aufgedeckt und dabei einen 350 Jahre alten mechanischen Satz verwendet, der normalerweise zur Beschreibung der Bewegung großer physischer Objekte wie Pendel und Planeten verwendet wird, um einige der wichtigsten zu erklären komplexes Verhalten von Lichtwellen.
Die Arbeit wurde von Xiaofeng Qian, Assistenzprofessor für Physik an der Stevens University, geleitet und in der Online-Ausgabe vom 17. August veröffentlicht Forschung zur körperlichen Überprüfungbeweist außerdem zum ersten Mal, dass der Grad der Nichtquantenverschränkung einer Lichtwelle in direkter und komplementärer Beziehung zu ihrem Polarisationsgrad steht. Während das eine steigt, fällt das andere, sodass der Grad der Verschränkung direkt vom Grad der Polarisation abgeleitet werden kann und umgekehrt. Das bedeutet, dass schwer messbare optische Eigenschaften wie Amplituden, Phasen und Korrelationen – vielleicht sogar solche von Quantenwellensystemen – aus etwas viel einfacher Messbarem abgeleitet werden können: der Lichtintensität.
„Wir wissen seit über einem Jahrhundert, dass sich Licht manchmal wie eine Welle und manchmal wie ein Teilchen verhält, aber es hat sich als äußerst schwierig erwiesen, diese beiden Systeme in Einklang zu bringen“, sagte Qian. „Unsere Arbeit löst dieses Problem nicht – aber es zeigt sich.“ dass es tiefgreifende Zusammenhänge zwischen Wellen- und Teilchenkonzepten gibt, nicht nur auf der Quantenebene, sondern auch auf der Ebene klassischer Lichtwellen und Punkt-Massen-Systeme.“
Qians Team verwendete einen mechanischen Satz, der ursprünglich von Huygens in einem Buch über Pendel aus dem Jahr 1673 entwickelt wurde und erklärt, wie die zum Drehen eines Objekts erforderliche Energie abhängig von der Masse des Objekts und der Achse, um die es sich dreht, variiert. „Dies ist ein gut etablierter mechanischer Satz, der die Funktionsweise physikalischer Systeme wie Uhren oder Prothesen erklärt“, erklärte Qian. „Aber wir konnten zeigen, dass es auch neue Erkenntnisse über die Funktionsweise von Licht liefern kann.“
Dieser 350 Jahre alte Satz beschreibt die Beziehungen zwischen Massen und ihrem Rotationsimpuls. Wie könnte er also auf Licht angewendet werden, wo es keine zu messende Masse gibt? Qians Team interpretierte die Intensität eines Lichts als Äquivalent der Masse eines physischen Objekts und ordnete diese Messungen dann einem Koordinatensystem zu, das mithilfe des mechanischen Theorems von Huygens interpretiert werden konnte. „Im Wesentlichen haben wir einen Weg gefunden, ein optisches System so zu übersetzen, dass wir es als mechanisches System visualisieren und es dann mithilfe gut etablierter physikalischer Gleichungen beschreiben können“, erklärte Qian.
Als das Team eine Lichtwelle als Teil eines mechanischen Systems visualisierte, wurden sofort neue Zusammenhänge zwischen den Welleneigenschaften deutlich – einschließlich der Tatsache, dass Verschränkung und Polarisation in einem klaren Zusammenhang zueinander standen.
„Das war etwas, das zuvor noch nicht gezeigt wurde, aber das wird sehr deutlich, wenn man die Eigenschaften des Lichts auf ein mechanisches System abbildet“, sagte Qian. „Was einst abstrakt war, wird konkret: Mithilfe mechanischer Gleichungen kann man buchstäblich den Abstand zwischen ‚Massenschwerpunkt‘ und anderen mechanischen Punkten messen, um zu zeigen, wie unterschiedliche Eigenschaften von Licht miteinander zusammenhängen.“
Die Klärung dieser Beziehungen könnte wichtige praktische Auswirkungen haben und es ermöglichen, subtile und schwer zu messende Eigenschaften optischer Systeme – oder sogar Quantensysteme – aus einfacheren und robusteren Messungen der Lichtintensität abzuleiten, erklärte Qian. Spekulativer ausgedrückt deuten die Ergebnisse des Teams auf die Möglichkeit hin, mechanische Systeme zu verwenden, um das seltsame und komplexe Verhalten von Quantenwellensystemen zu simulieren und besser zu verstehen.
„Das liegt noch vor uns, aber mit dieser ersten Studie haben wir deutlich gezeigt, dass es durch die Anwendung mechanischer Konzepte möglich ist, optische Systeme auf völlig neue Weise zu verstehen“, sagte Qian. „Letztendlich trägt diese Forschung dazu bei, die Art und Weise, wie wir die Welt verstehen, zu vereinfachen, indem sie es uns ermöglicht, die inneren Zusammenhänge zwischen scheinbar nicht zusammenhängenden physikalischen Gesetzen zu erkennen.“
Mehr Informationen:
Xiao-Feng Qian et al., Brücke zwischen Kohärenzoptik und klassischer Mechanik: Eine generische Komplementärbeziehung zwischen Lichtpolarisation und Verschränkung, Forschung zur körperlichen Überprüfung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.033110