Teoria de 350 anos revela relação ‘profunda’ entre propriedades da luz

Holandês nascido Christian Huygens Ele é talvez um dos físicos mais famosos dos quais você nunca ouviu falar. Seu trabalho no final do século XVII incluía os domínios tangíveis e intangíveis do nosso universo: a natureza da luz e a mecânica dos corpos em movimento.

Entre suas muitas contribuições, Huygens propôs uma teoria ondulatória da luz que daria origem a… Óptica física, que trata de interferência, difração e polarização da luz. Ele também inventou o primeiro pêndulo; O dispositivo de cronometragem mais preciso existia há quase 300 anos, durante a Revolução Industrial.

Poucas conexões foram feitas entre esses dois campos aparentemente díspares da óptica e da óptica. Mecânica clássica – Até aqui.

Dois físicos do Stevens Institute of Technology, em Nova Jersey, revisitaram o trabalho seminal de Huygens sobre o pêndulo, publicado em 1673, e usaram sua teoria mecânica de 350 anos para revelar algumas novas conexões entre alguns dos elementos mais estranhos e fundamentais. . , propriedades da luz.

“Com este primeiro estudo mostramos claramente que aplicando conceitos mecanicistas é possível compreender os sistemas ópticos de uma forma completamente nova.” Ele diz Físico Xiaofengqian.

Qian e seu colega do Stevens Institute, Misagh Izadi, consideraram duas propriedades da luz em seus cálculos: polarização e uma forma de correlação conhecida como emaranhamento clássico, ou não quântico.

Estas duas características reflectem a estranha Dualidade de luz Isso permeia todos os bolsos do nosso universo. Num sentido quântico, a luz – como todas as formas de matéria – pode ser descrita como ondas que ondulam através do espaço, mas também são partículas discretas localizadas num único ponto.

No entanto, este não é apenas um fenômeno quântico. No mundo clássico das engrenagens, molas e relógios, as ondas de luz sobem e descem como ondulações físicas num oceano intangível, com propriedades associadas ao seu progresso em constante mudança através do espaço.

“Sabemos há mais de um século que a luz por vezes se comporta como uma onda e por vezes como uma partícula, mas conciliar estas duas estruturas tem-se revelado extremamente difícil.” Qian disse.

“Nosso trabalho não resolve este problema – mas mostra que existem conexões profundas entre os conceitos de onda e partícula, não apenas no nível quântico, mas no nível das ondas de luz clássicas e dos sistemas de massa pontual.”

O emaranhamento, mais comumente, é um fenômeno quântico e simplesmente descreve correlações nas propriedades dos objetos.

Para partículas, pode ser o spin dos elétrons, o momento ou a posição de um par de fótons. Saber algo sobre uma dessas propriedades de uma partícula lhe diz algo sobre a mesma propriedade da outra.

O emaranhamento clássico também descreve algumas correlações, mas sem ter que considerar a natureza instável de um objeto antes de medi-lo.

polarização É a propriedade direcional de uma onda de luz que oscila para cima e para baixo, ou para a esquerda e para a direita. Partículas como os fótons, os pacotes de energia que constituem um feixe de luz, também podem ser polarizadas.

Se uma onda de luz oscilasse, o mesmo aconteceria com um pêndulo, Qian e Izadi pensaram que poderiam usar a mecânica desta última para descrever as propriedades da primeira.

“Basicamente, encontramos uma maneira de traduzir o sistema óptico para que possamos visualizá-lo como um sistema mecânico e depois descrevê-lo usando equações físicas bem estabelecidas”, disse Qian. Ele explica.

Normalmente, a mecânica clássica é usada para descrever o movimento de grandes objetos físicos, como pêndulos e planetas. Por exemplo, Huygens Teoria do eixo paralelo Descreve a relação entre massas e seu momento.

Qian e Izadi conceberam a luz como um sistema mecânico ao qual o teorema dos eixos paralelos de Huygens poderia ser aplicado, e encontraram uma relação “profunda”: o grau de polarização de uma onda de luz estava diretamente relacionado ao grau de uma propriedade recentemente reconhecida chamada emaranhamento de espaço vetorial.

Os cálculos de Qian e Izadi indicam que quando um sobe, o outro desce, permitindo que o nível de emaranhamento seja inferido diretamente do nível de polarização e vice-versa.

“Em última análise, esta pesquisa ajuda a simplificar a forma como entendemos o mundo, permitindo-nos reconhecer conexões fundamentais entre leis físicas aparentemente não relacionadas”, disse Qian. Ele diz.

O estudo foi publicado em Pesquisa de revisão física.