研究者らは、有形物体に一般的に適用されている 350 年前の機械定理を使用して、光の性質についての新たな洞察を明らかにしました。彼らは、光の強度を物理的質量と同等であると解釈することにより、確立された力学的方程式を適用できるシステムに光をマッピングしました。このアプローチは、光波の非量子もつれの程度とその偏光の程度との間の直接の相関関係を明らかにします。これらの発見により、光強度のより直接的な測定を通じて、複雑な光学特性と量子特性の理解を簡素化できる可能性があります。


スティーブンス工科大学の研究者らは、もともと振り子や惑星の挙動を記述するために使用されていた 350 年前の定理を適用して、光波の新しい特性を明らかにしました。

17 世紀にアイザック ニュートンとクリスティアン ホイヘンスが光の性質について議論して以来、科学界は「光は波なのか粒子なのか、それとも量子レベルでは波なのか粒子なのか？」という問題に取り組んできました。今回、スティーブンス工科大学の研究者らは、振り子や惑星などの大きな物理的物体の動きを記述するためによく使用される350年前の機械定理を使用して、光波の最も複雑な挙動のいくつかを説明することで、この2つの考え方の間の新たなつながりを明らかにした。

光のプロパティ間の関係を明らかにする

スティーブンス大学の物理学助教授、Qian Xiaofeng氏が主導したこの研究成果は、8月17日にオンライン発行されるジャーナルPhysical Review Researchに掲載された。また、光波の非量子もつれの程度とその偏光の程度の間に直接の相補関係があることも初めて証明した。一方が上昇すると他方が下降するため、もつれの度合いは分極度から直接推測でき、またその逆も同様です。これは、振幅、位相、相関などの測定が難しい光学特性、さらには量子波動システムの特性さえも、はるかに測定しやすいもの、つまり光強度から導き出せることを意味します。

スティーブンス工科大学の物理学者は、振り​​子と惑星がどのように機能するかを説明するために 350 年前の定理を使用することにより、光波の新しい特性を明らかにしました。画像出典: スティーブンス工科大学

「1世紀以上にわたり、光が時には波のように振る舞い、時には粒子のように振る舞うことは私たちに知られていましたが、これら2つの枠組みを調和させることは非常に難しいことが判明しており、私たちの研究は問題を解決するものではありません。しかし、量子レベルだけでなく、古典的な光波や点質量系のレベルでも、波と粒子の概念の間に深いつながりがあることを示しています」とQian Yongjian氏は述べた。

ホイヘンスの力学的定理を光に適用する

研究チームは、振り子に関する 1673 年の本の中でホイヘンスによって最初に提案された機械定理を使用しました。この定理は、物体の回転に必要なエネルギーが物体の質量と回転軸によってどのように変化するかを説明しています。 「これは、時計や人工装具などの物理システムがどのように機能するかを説明する、確立された機械定理です。しかし、私たちは、それが光の仕組みについての新たな洞察も提供できることを示すことができました。」

この 350 年前の定理は、質量とその回転運動量の関係を説明しています。では、測定する質量がない場合、どのようにしてこの定理を光に適用できるのでしょうか? Qian 氏のチームは、光の強度が物理的な物体の質量と同等であると解釈し、これらの測定値をホイヘンスの力学的定理を使用して説明できる座標系にマッピングしました。基本的に、彼らは光学システムを機械システムとして視覚化し、本格的な物理方程式を使用して記述できるように変換する方法を発見しました。

チームが光波を機械システムの一部として視覚化すると、もつれと偏光の間の明確な関係など、光波の特性間の新たな関係がすぐに明らかになりました。

Qian Yongjian 氏は、「これはこれまで実証されたことがありませんでしたが、光の特性が機械システムにマッピングされると、非常に明確になります。かつて抽象的だったものが具体的になります。機械方程式を使用すると、『質量中心』と他の機械的点の間の距離を現実的に測定できるため、光のさまざまな特性間の関係が示されます。」と述べました。

これらの関係を明らかにすることは、実用上重要な意味を持ち、光学系（量子系であっても）の微妙で測定が難しい特性を、より簡単で信頼性の高い光強度の測定から推定できるようになる可能性があります。より推測的に言えば、研究チームの発見は、機械システムを使用して量子波動システムの奇妙で複雑な挙動をシミュレートし、よりよく理解できる可能性があることを示唆しています。

「これはまだ私たちの前にありますが、この最初の研究で、機械的概念を適用することによって、まったく新しい方法で光学システムを理解できることが明確に示されました。最終的に、この研究は世界を理解する方法を単純化するのに役立ち、一見無関係な物理法則間の本質的なつながりを認識できるようになります。」とQian Yongjian氏は述べました。