Watergolven kunnen worden gebruikt om fundamentele concepten te visualiseren, zoals spinimpulsmoment, die voorkomen in relativistische veldentheorie, hebben natuurkundigen van RIKEN aangetoond. Dit zal helpen om nieuwe inzichten te verschaffen in zeer verschillende golfsystemen.

Het concept van spin-impulsmomentum, of spin, dat bijna een eeuw geleden voor het eerst werd geïntroduceerd, is van cruciaal belang in de kwantumfysica en ondersteunt de opkomende gebieden van spintronica en kwantumcomputers. In de natuurkunde op de middelbare school wordt de spin van een elektron meestal beschreven als het elektron dat om zijn as draait, vergelijkbaar met een tol. Maar een uitgebreidere beschrijving van spin is abstracter en geeft zich niet over aan simpele plaatjes.

Nu hebben Konstantin Bliokh van het RIKEN Theoretical Quantum Physics Laboratory en zijn medewerkers aangetoond dat spin kan verschijnen als kleine cirkelvormige bewegingen van waterdeeltjes in watergolven. Hun onderzoek is gepubliceerd in Science Advances .

"We waren verrast dat onze medewerkers van de Australian National University dit effect zo gemakkelijk in experimenten konden waarnemen", zegt Bliokh. "Vergelijkbare fenomenen in optica en akoestiek zijn meestal te klein om waar te nemen, maar met watergolven is alles een paar millimeter groot en je kunt het met je ogen observeren. Dat is het mooie van dit experiment."

Het was ook onverwacht omdat het concept van spin afkomstig is uit de wiskunde die de relativistische veldentheorie beschrijft, en niet rechtstreeks van toepassing is op watergolven. Maar de onderzoekers konden aantonen dat er een wiskundig verband bestaat tussen watergolven en de formele theorie voor spinimpulsmoment. Zoals vaak het geval is in de natuurkunde, kunnen verschillende fenomenen die totaal niets met elkaar te maken hebben, met elkaar worden verbonden door gewone wiskunde.

"Het is leuk om een ​​uniform beeld te krijgen van verschillende golfsystemen en de parallellen ertussen te zien", zegt Bliokh. "Deze benadering belicht de fysica achter verschillende verschijnselen en kan zeer vruchtbaar zijn voor de toekomstige ontwikkeling van verschillende velden." Hij merkt op dat inzichten in beide richtingen kunnen stromen en dat we uit de verbinding meer kunnen leren over vloeistofdynamica.

Bliokh is ook van mening dat de demonstratie nuttig kan zijn voor het onderwijzen van de kwantumveldentheorie. "Hoeveelheden zoals spindichtheid worden op een heel abstracte manier afgeleid. Het komt voor in sommige vergelijkingen, maar je neemt totaal andere dingen waar in experimenten", zegt Bliokh. "Voor het eerst hebben we spindichtheid in watergolven direct waargenomen. Het is dus echt een platform voor het visualiseren van eigenschappen die verborgen zijn in de kwantumveldentheorie."

Het team onderzoekt nu hoe veldtheorie kan worden gebruikt om nieuwe inzichten te krijgen in andere soorten klassieke golven. + Verder verkennen

Verbetering van de manipulatie van microdeeltjes door geluid