Teorema de 350 anos revela conexão “profunda” entre as propriedades da luz: WebCuriosos

Nascido na Holanda Christian Huygens é provavelmente um dos físicos mais famosos dos quais você nunca ouviu falar. Seu trabalho no final do século XVII abrangeu os domínios intangível e tangível do nosso Universo: a natureza da luz e a mecânica dos objetos em movimento.

Entre suas muitas contribuições, Huygens propôs uma teoria ondulatória da luz que daria origem a óptica físicaque trata da interferência, difração e polarização da luz. Ele também inventou o primeiro relógio de pêndulo; o cronometrista mais preciso em quase 300 anos, durante a Revolução Industrial.

Pouco foi feito sobre as conexões entre esses dois campos aparentemente díspares da óptica e mecânica clássica – até agora.

Dois físicos do Stevens Institute of Technology, em Nova Jersey, revisitaram o trabalho seminal de Huygens sobre pêndulos, publicado em 1673, e usaram seu teorema mecânico de 350 anos para descobrir algumas novas conexões entre alguns dos mais estranhos e mais fundamentais , propriedades da luz.

“Com este primeiro estudo mostramos claramente que, ao aplicar conceitos mecânicos, é possível compreender os sistemas ópticos de uma forma totalmente nova,” diz físico Xiaofeng Qian.

Qian e seu colega do Instituto Stevens, 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 propriedades refletem o estranho dualidade da luz que 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 como partículas discretas localizadas num único ponto.

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

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

“Nosso trabalho não resolve esse 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.”

Mais comumente considerado um fenômeno quântico, o emaranhamento simplesmente descreve correlações nas propriedades dos objetos.

Para partículas, podem ser os spins dos elétrons ou o momento ou a posição de um par de fótons. Saber algo sobre uma dessas características para uma partícula lhe diz algo sobre a mesma característica para a outra.

O emaranhamento clássico também descreve certas correlações, mas sem a necessidade de considerar a natureza instável de um objeto antes de sua medição.

Polarização é a propriedade direcional de uma onda de luz oscilando 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 polarizados.

Se uma onda de luz oscila, assim como um pêndulo, então Qian e Izadi pensaram que poderiam usar a mecânica desta última para descrever as propriedades da primeira.

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

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

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

Os cálculos de Qian e Izadi sugerem que à medida que 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 investigação está a ajudar a simplificar a forma como entendemos o mundo, permitindo-nos reconhecer as conexões intrínsecas subjacentes entre leis físicas aparentemente não relacionadas”, disse Qian. diz.

O estudo foi publicado em Pesquisa de revisão física.