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발레리Brozhinsky/iStock

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1673년 크리스티안 호이겐스(Christiaan Huygens)는 진자와 진자가 어떻게 작동하는지에 관한 책을 썼습니다. 이 책에 언급된 기계적 정리는 350년 후 스티븐스 공과대학(Stevens Institute of Technology) 연구원들이 빛의 복잡한 행동을 설명하기 위해 사용했다고 대학 성명서가 밝혔습니다.

비록 영겁의 시간 동안 우리에게 알려져 있었지만 인류는 빛의 본질 자체를 설명하는 데 어려움을 겪었습니다. 수세기 동안 과학자들은 그것을 파동이라고 부를지 입자라고 부를지에 관해 의견이 분분했고, 빛이 실제로 무엇인지에 대해 어느 정도 합의가 있는 것처럼 보였을 때 양자 물리학은 빛이 동시에 두 가지로 존재한다고 제안함으로써 새로운 변화를 일으켰습니다.

이전에 반대 세력의 주장을 반박하기 위해 노력했던 연구자들은 이제 빛이 파동과 입자의 특성을 동시에 표시하는 방법을 설명하는 데 시간을 보내고 있습니다.

이를 위해 Stevens Institute of Technology의 물리학 교수인 Xiaofeng Qian이 이끄는 팀은 진자와 같은 물체가 어떻게 작동하는지 설명하는 350년 된 기계 정리를 사용했습니다.

호이겐스는 빛이 파동의 형태로 우주 전체에 전파된다고 제안했습니다. 그러나 네덜란드 물리학자는 또한 물체를 회전시키는 데 필요한 에너지가 물체의 질량과 회전해야 하는 축에 어떻게 의존하는지 설명했습니다.

이 역학 정리는 진자나 행성과 같은 물체의 움직임을 설명하는 데 사용될 수 있습니다.

하지만 이것을 빛에 적용하는 데에는 한 가지 장애물이 있었습니다. 이 정리는 물체의 질량을 이용하며 빛은 질량을 갖지 않습니다. 따라서 Qian 팀은 빛의 강도를 물리적 물체의 질량과 동일하게 사용했습니다. 그 후 호이겐스의 정리를 해석하기 위해 좌표계에 측정값을 매핑하는 것이 가능해졌다고 성명서는 덧붙였습니다.

이를 통해 팀은 빛을 기계 시스템의 일부로 시각화할 수 있었고 얽힘 및 편광과 같은 파동 특성 간의 연결이 더욱 명확해졌다고 연구진은 말했습니다.

빛이 파동인지 입자인지에 대한 두 학파의 생각을 조화시키는 것은 특히 어려웠습니다. 새로운 연구는 이 문제를 해결하지 못하지만 양자 수준뿐만 아니라 파동 및 점-질량 시스템을 다루는 고전 물리학 수준에서도 존재하는 두 프레임워크 사이에 연결이 있음을 보여줍니다.

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"한때 추상적이었던 것이 구체적이 됩니다. 기계 방정식을 사용하면 말 그대로 '질량 중심'과 다른 기계적 지점 사이의 거리를 측정하여 빛의 다양한 속성이 서로 어떻게 관련되어 있는지 보여줄 수 있습니다"라고 Qian은 성명서에서 말했습니다.

이러한 관계를 더 자세히 조사하면 과학자들이 측정하기 어려운 광학 시스템뿐만 아니라 양자 시스템의 속성도 평가하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이러한 시스템에 대한 추론은 이제 달성하기가 훨씬 간단할 뿐만 아니라 데이터 수집 관점에서 더욱 강력한 광 측정을 사용하여 발생할 수 있습니다.

또한 연구자들은 동일한 시스템을 적용하여 양자 파동 시스템에서 볼 수 있는 복잡한 동작을 탐색할 수도 있습니다. Qian은 "궁극적으로 이 연구는 겉보기에는 관련이 없는 물리적 법칙 사이의 본질적인 기본 연결을 인식할 수 있게 함으로써 우리가 세상을 이해하는 방식을 단순화하는 데 도움이 됩니다"라고 덧붙였습니다.

연구 결과는 Physical Review Research 저널에 게재되었습니다.

추상적인

광학과 역학은 물리학의 서로 다른 두 가지 분야이지만 서로 연결되어 있습니다. 빛의 기하학적/광선 처리가 입자 운동의 기계적 설명과 직접적인 유사성을 갖는다는 것은 잘 알려져 있습니다. 그러나 일관성 파동 광학과 고전 역학 사이의 연결은 거의 보고되지 않습니다. 여기서 우리는 Huygens와 Fresnel이 개척한 빛의 파동 설명에 따른 두 가지 광학 일관성 특성인 편광과 얽힘에 대한 체계적인 정량 분석을 통해 두 가지의 연관성을 보고합니다. 임의의 광 필드에 대해 일반적인 보완적 동일성 관계가 얻어집니다. 더욱 놀라운 것은 무게 중심 좌표계를 통해 광학적 편광, 얽힘 및 동일성 관계가 강체 회전에 대한 호이겐스-슈타이너 정리를 통해 질량 중심 및 관성 모멘트의 기계적 개념과 정량적으로 연관되어 있음을 보여줍니다. 얻은 결과는 호이겐스의 두 가지 이론을 통해 일관성 파동 광학과 고전 역학을 연결합니다.