Канонические плотности импульса и спина при интерференции двух гравитационных волн. (A) Схема экспериментальной установки для наблюдения за движением частиц в интерферирующих поверхностных волнах воды. (B) Спиновые и импульсные свойства двух интерферирующих гравитационных волн с одинаковыми частотами, амплитудами и ортогональными волновыми векторами k1 и k2. На теоретическом графике показаны распределения канонической плотности импульса P и плотности спина S (табл. 1). Численные и экспериментальные графики изображают траектории микроскопических частиц для трех волновых периодов 6π/ω. Стоксов дрейф частиц и их эллиптическое движение соответствуют каноническим импульсу и спину соответственно. Параметры: x˜=2–√kx, y˜=2–√k y и ω/2π = 6 Гц. а.е., условные единицы. Кредит: Научные достижения(2022). DOI: 10.1126/sciadv.abm1295

Впервые введенное почти столетие назад понятие спинового углового момента , или спина, имеет решающее значение в квантовой физике и лежит в основе новых областей спинтроники и квантовых вычислений. В физике средней школы спин электрона обычно описывается как вращение электрона вокруг своей оси, подобно волчку. Но более полное описание спина более абстрактно и не сводится к простым картинкам.

Теперь Константин Блиох из Лаборатории теоретической квантовой физики RIKEN и его сотрудники показали, что вращение может проявляться как небольшие круговые движения частиц воды в волнах воды. Их исследование опубликовано в журнале Science Advances.

«Мы были удивлены, что наши сотрудники из Австралийского национального университета смогли так легко наблюдать этот эффект в экспериментах», — говорит Блиох. «Подобные явления в оптике и акустике, как правило, слишком малы, чтобы их можно было наблюдать, но с водными волнами все имеет размер в несколько миллиметров, и вы можете наблюдать это своими глазами. В этом красота этого эксперимента».

Это было также неожиданно, потому что концепция спина исходит из математики, описывающей релятивистскую теорию поля, и не применима непосредственно к волнам на воде. Но исследователи смогли показать, что существует математическая связь между волнами на воде и формальной теорией углового момента вращения. Как это часто бывает в физике, различные явления, которые кажутся совершенно не связанными между собой, могут быть связаны общей математикой.

«Приятно получить единую картину различных волновых систем и увидеть параллели между ними», — говорит Блиох. «Этот подход освещает физику, стоящую за различными явлениями, и может быть очень плодотворным для будущего развития различных областей». Он отмечает, что понимание может происходить в обоих направлениях и что мы можем узнать больше о динамике жидкости из этой связи.

Блиох также считает, что демонстрация может быть полезна для обучения квантовой теории поля. «Такие величины, как спиновая плотность, выводятся очень абстрактным образом. Она появляется в некоторых уравнениях, но в экспериментах вы наблюдаете совершенно другие вещи», — говорит Блиох. «Впервые мы напрямую наблюдали спиновую плотность в волнах на воде. Так что это действительно платформа для визуализации свойств, скрытых в квантовой теории поля ».

В настоящее время команда изучает, как можно использовать теорию поля, чтобы получить новое представление о других типах классических волн.