Miten valo toimii? Kysy mekaanikolta

1600-luvulta lähtien, jolloin Isaac Newton ja Christiaan Huygens keskustelivat ensimmäisen kerran valon luonteesta, tiedemiehet ovat pohtineet, voidaanko valoa pitää parhaiten aaltona vai hiukkasena – vai kenties kvanttitasolla, jopa molemmat kerralla.

Nyt Stevens Institute of Technologyn tutkijat ovat paljastaneet uuden yhteyden näiden kahden näkökulman välillä käyttämällä 350 vuotta vanhaa mekaanista teoreemaa - jota käytetään tavallisesti kuvaamaan suurten, fyysisten esineiden, kuten heilurien ja planeettojen liikettä selittämään valoaaltojen monimutkaista käyttäytymistä.

Stevensin apulaisprofessori Xiaofeng Qianin johtama työ osoittaa myös ensimmäistä kertaa, että valoaallon ei-kvanttimainen lomittumisaste on olemassa suorassa ja täydentävässä suhteessa sen polarisaatioasteen kanssa. Kun toinen nousee, toinen laskee, jolloin lomittumistaso voidaan päätellä suoraan polarisaation tasosta ja päinvastoin. Tämä tarkoittaa, että vaikeasti mitattavat optiset ominaisuudet, kuten amplitudit, vaiheet ja korrelaatiot – ehkä jopa näiden kvanttiaaltoiset järjestelmät voidaan päätellä jostain paljon helpommin mitattavasta: valon intensiteetistä.

"Olemme tienneet yli vuosisadan ajan, että valo käyttäytyy toisinaan aallon tavoin ja toisinaan hiukkasen tavoin, mutta näiden kahden kehyksen yhteensovittaminen on osoittautunut erittäin vaikeaksi", Qian sanoi. "Työmme ei ratkaise tätä ongelmaa - mutta se osoittaa, että aalto- ja hiukkaskäsitteiden välillä on syvällisiä yhteyksiä ei vain kvanttitasolla, vaan klassisten valoaaltojen ja pistemassajärjestelmien tasolla."

Huygensin 350 vuotta vanha teoreema kuvaa massojen ja niiden pyörimismäärän välisiä suhteita, joten kuinka sitä voitaisiin soveltaa valoon, jossa ei ole mitattavaa massaa? Qianin ryhmä tulkitsi valon voimakkuuden vastaavan fyysisen kohteen massaa, minkä jälkeen he kartoittivat mittaukset koordinaattijärjestelmään, joka voidaan tulkita käyttämällä Huygensin mekaanista lausetta.

"Pohjimmiltaan löysimme tavan muuttaa optinen järjestelmä siten, että voimme visualisoida sen mekaanisena järjestelmänä ja sitten kuvata sitä vakiintuneiden fysikaalisten yhtälöiden avulla", Qian tarkentaa.

Kun ryhmä visualisoi valoaallon osana mekaanista järjestelmää, uudet yhteydet aallon ominaisuuksien välillä tulivat välittömästi ilmi - mukaan lukien se, että lomittuminen ja polarisaatio olivat selkeässä suhteessa toisiinsa.

Spekulatiivisemmin ryhmän havainnot viittaavat mahdollisuuteen käyttää mekaanisia järjestelmiä kvanttiaaltojärjestelmien omituisen ja monimutkaisen käyttäytymisen simuloimiseksi ja ymmärtämiseksi paremmin.

"Se on vielä edessämme, mutta tällä ensimmäisellä tutkimuksella olemme osoittaneet selvästi, että mekaanisia käsitteitä soveltamalla on mahdollista ymmärtää optisia järjestelmiä täysin uudella tavalla", Qian sanoo instituuttinsa tiedotteessa.