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Im Jahr 1673 schrieb Christiaan Huygens ein Buch über Pendel und ihre Funktionsweise. Ein im Buch erwähntes mechanisches Theorem wurde 350 Jahre später von Forschern des Stevens Institute of Technology verwendet, um das komplexe Verhalten von Licht zu erklären, heißt es in einer Erklärung der Universität.

Obwohl es uns schon seit Äonen bekannt ist, fällt es der Menschheit schwer, die eigentliche Natur des Lichts zu erklären. Seit Jahrhunderten sind Wissenschaftler uneinig darüber, ob man es Welle oder Teilchen nennen soll, und als man sich darüber einig zu sein schien, was Licht tatsächlich sein könnte, warf die Quantenphysik ein neues Rätsel auf, indem sie vorschlug, dass es als beides zugleich existierte.

Forscher, die früher daran arbeiteten, Behauptungen der Gegenpartei zu widerlegen, verbringen nun Zeit damit, zu erklären, wie Licht gleichzeitig Eigenschaften von Wellen und Teilchen aufweist.

Zu diesem Zweck griff ein Team unter der Leitung von Xiaofeng Qian, Professor für Physik am Stevens Institute of Technology, auf einen 350 Jahre alten mechanischen Satz zurück, der erklärt, wie Objekte wie Pendel funktionieren.

Huygens vermutete, dass sich Licht in Form von Wellen durch das gesamte Universum ausbreitet. Der niederländische Physiker erklärte aber auch, wie die Energie, die zum Drehen eines Objekts benötigt wird, von seiner Masse und der Achse abhängt, um die es gedreht werden muss.

Dieser mechanische Satz könnte verwendet werden, um die Bewegung von Objekten wie Pendeln und Planeten zu erklären.

Dies auf Licht anzuwenden, hatte jedoch eine Hürde. Der Satz verwendet die Masse der Objekte und Licht hat keine Masse. Qians Team verwendete daher die Lichtintensität als Äquivalent der Masse physischer Objekte. Dann sei es möglich geworden, Messungen auf einem Koordinatensystem abzubilden, um den Satz von Huygens zu interpretieren, heißt es in der Erklärung weiter.

Dadurch konnte das Team Licht als Teil eines mechanischen Systems visualisieren und Zusammenhänge zwischen Welleneigenschaften wie Verschränkung und Polarisation wurden klarer, so die Forscher.

Besonders schwierig war es, die beiden Denkrichtungen darüber in Einklang zu bringen, ob Licht eine Welle oder ein Teilchen ist. Obwohl die neue Forschung dieses Problem nicht löst, zeigt sie, dass es Verbindungen zwischen diesen beiden Rahmenwerken gibt, die nicht nur auf der Quantenebene, sondern auch auf der Ebene der klassischen Physik bestehen, wo es sich um Wellen und Punkt-Massen-Systeme handelt.

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„Was einst abstrakt war, wird konkret: Mithilfe mechanischer Gleichungen kann man buchstäblich den Abstand zwischen dem ‚Massenschwerpunkt‘ und anderen mechanischen Punkten messen, um zu zeigen, wie unterschiedliche Eigenschaften von Licht miteinander zusammenhängen“, sagte Qian in der Erklärung.

Die weitere Untersuchung dieser Beziehungen kann Wissenschaftlern dabei helfen, die Eigenschaften nicht nur schwer messbarer optischer Systeme, sondern auch von Quantensystemen zu bewerten. Ableitungen für diese Systeme können nun anhand von Lichtmessungen erfolgen, die nicht nur viel einfacher durchzuführen, sondern auch hinsichtlich der Datenerfassung robuster sind.

Darüber hinaus könnten Forscher dasselbe System auch anwenden, um das komplexe Verhalten von Quantenwellensystemen zu untersuchen. „Letztendlich trägt diese Forschung dazu bei, die Art und Weise, wie wir die Welt verstehen, zu vereinfachen, indem sie es uns ermöglicht, die intrinsischen zugrunde liegenden Zusammenhänge zwischen scheinbar nicht zusammenhängenden physikalischen Gesetzen zu erkennen“, fügte Qian hinzu.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift Physical Review Research veröffentlicht.

Abstrakt

Obwohl Optik und Mechanik zwei unterschiedliche Zweige der Physik sind, sind sie doch miteinander verbunden. Es ist bekannt, dass die geometrische/strahlenförmige Behandlung von Licht direkte Analogien zu mechanischen Beschreibungen der Teilchenbewegung aufweist. Über Zusammenhänge zwischen Kohärenzwellenoptik und klassischer Mechanik wird jedoch selten berichtet. Hier berichten wir über Verbindungen der beiden durch eine systematische quantitative Analyse von Polarisation und Verschränkung, zwei optischen Kohärenzeigenschaften im Rahmen der Wellenbeschreibung von Licht, die von Huygens und Fresnel entwickelt wurden. Für beliebige Lichtfelder wird eine generische komplementäre Identitätsrelation erhalten. Noch überraschender ist, dass durch das baryzentrische Koordinatensystem gezeigt wird, dass optische Polarisation, Verschränkung und ihre Identitätsbeziehung über das Huygens-Steiner-Theorem für die Rotation starrer Körper quantitativ mit den mechanischen Konzepten des Massenschwerpunkts und des Trägheitsmoments verknüpft sind. Das erhaltene Ergebnis verbindet Kohärenzwellenoptik und klassische Mechanik durch die beiden Theorien von Huygens.