一种新颖的视角：光学相干性质与经典力学的联系
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大家都知道，光学和力学是物理学的两个不同分支，但它们之间是有联系的。例如，我们可以用几何光学或射线光学来描述光的传播，这与力学中粒子运动的描述有直接的类比。但是，如果我们用波动光学或相干光学来描述光，那么它们和力学之间的联系就不那么明显了。在新发表的一篇论文中，作者通过对两个光学相干性质进行定量分析，发现了它们和经典力学之间的一些有趣的联系。这两个光学相干性质分别是偏振和纠缠。
偏振和纠缠偏振是指电磁波中电场矢量在垂直于传播方向的平面内随时间变化的方式。例如，如果电场矢量沿着一个固定方向振动，那么我们就说这个波是线偏振的。如果电场矢量在一个圆形轨迹上旋转，那么我们就说这个波是圆偏振的。偏振可以用一个二维复数矢量来表示，其中实部和虚部分别代表电场矢量在两个正交方向上的分量。 纠缠是指两个或多个物理系统之间存在一种非经典的关联，使得它们不能被单独地描述。例如，如果两个电子处于一种叫做贝尔态的纠缠态，那么它们就有相反的自旋方向，并且无论它们相距多远，测量其中一个电子的自旋方向就能立即知道另一个电子的自旋方向。这种现象被称为量子纠缠。纠缠可以用一个二维复数矩阵来表示，其中每个元素代表两个系统处于某种状态的概率幅。 互补关系作者发现了一个普遍适用于任意光场的互补关系，它表明了偏振和纠缠之间存在一种平衡。这个互补关系可以用一个简单的公式来表示：P² E²=1其中P是偏振度，它是一个介于0和1之间的数，表示光场中所有偏振向量的平均大小；E是纠缠度，它也是一个介于0和1之间的数，表示光场中所有纠缠态的平均大小。这个公式的意义是，如果光场的偏振度很高，那么它的纠缠度就很低，反之亦然。这就像海森堡的不确定性原理一样，表明了两个物理量之间的限制。 与经典力学的联系更令人惊讶的是，作者发现了偏振和纠缠与经典力学中的一些概念之间的定量联系。 惠更斯-斯坦纳定理是一个关于刚体转动惯量的定理，它告诉我们，在不同参考点下计算刚体转动惯量时有一个简单的关系： I=I_0 md²。其中I是刚体绕过任意轴转动的惯量，I_0是刚体绕过通过质心的平行轴转动的惯量，m是刚体的质量，d是两个轴之间的距离。这个公式告诉我们，如果我们知道了刚体绕过质心轴转动的惯量，那么我们就可以用它来计算刚体绕过任意轴转动的惯量，只要我们知道了两个轴之间的距离。 作者发现了一个非常有趣的事实，那就是偏振-纠缠互补关系可以用重心坐标系和惠更斯-斯坦纳定理来推导出来。他们首先把任意光场表示成一个二维复数矩阵，然后把这个矩阵看成是一个三角形内部的一个点，用重心坐标系来描述它的位置。 他们发现，这个点的重心坐标系参数就是光场在三个特殊方向上的偏振程度。然后，他们把这个矩阵看成是一个刚体，用惠更斯-斯坦纳定理来计算它绕过不同轴转动的惯量。他们发现，这个刚体的惯量就是光场在不同基底下的纠缠程度。最后，他们把重心坐标系参数和惯量代入到惠更斯-斯坦纳定理中，就得到了偏振-纠缠互补关系。 这篇文章为我们提供了一种新颖和有趣的视角来理解光学和力学之间的联系，特别是相干波光学和经典力学之间的联系。它也为我们提供了一种新颖和有趣的方法来控制和调节光场的相干性质，特别是偏振和纠缠。这些相干性质在量子信息、量子计算、量子通信等领域有着重要的应用和意义。 |
