Os pesquisadores usaram um teorema mecânico de 350 anos, comumente aplicado a objetos tangíveis, para revelar novos insights sobre a natureza da luz. Ao interpretar a intensidade da luz como equivalente à massa física, eles mapearam a luz em um sistema ao qual as equações mecânicas estabelecidas poderiam ser aplicadas. Esta abordagem revela uma correlação direta entre o grau de emaranhamento não quântico das ondas de luz e o seu grau de polarização. Essas descobertas poderiam simplificar a compreensão de propriedades ópticas e quânticas complexas por meio de medições mais diretas da intensidade da luz.


Pesquisadores do Stevens Institute of Technology aplicaram um teorema de 350 anos originalmente usado para descrever o comportamento de pêndulos e planetas para revelar novas propriedades das ondas de luz.

Desde que Isaac Newton e Christiaan Huygens debateram a natureza da luz no século XVII, a comunidade científica tem-se debatido com a questão: a luz é uma onda ou uma partícula – ou, ao nível quântico, uma onda ou uma partícula? Agora, investigadores do Stevens Institute of Technology revelaram uma nova ligação entre as duas ideias, utilizando um teorema mecânico com 350 anos - frequentemente usado para descrever o movimento de grandes objectos físicos, como pêndulos e planetas - para explicar alguns dos comportamentos mais complexos das ondas de luz.

Revelando conexões entre propriedades da luz

Este trabalho de pesquisa, liderado por Qian Xiaofeng, professor assistente de física na Stevens University, foi publicado na revista Physical Review Research publicada online em 17 de agosto. Também provou pela primeira vez que existe uma relação complementar direta entre o grau de emaranhamento não quântico das ondas de luz e seu grau de polarização. À medida que um sobe, o outro desce, de modo que o grau de emaranhamento pode ser inferido diretamente do grau de polarização e vice-versa. Isto significa que propriedades ópticas difíceis de medir, como amplitude, fase e correlação, e até mesmo propriedades de sistemas de ondas quânticas, podem ser derivadas de algo muito mais fácil de medir: a intensidade da luz.

Físicos do Stevens Institute of Technology revelaram novas propriedades das ondas de luz usando um teorema de 350 anos para explicar como funcionam os pêndulos e os planetas. Fonte da imagem: Stevens Institute of Technology

"Há mais de um século sabemos que a luz por vezes se comporta como uma onda e por vezes como uma partícula, mas conciliar estas duas estruturas revelou-se extremamente difícil, e o nosso trabalho não resolve o problema - mas mostra que existem conexões profundas entre os conceitos de onda e partícula não apenas ao nível quântico, mas também ao nível das ondas de luz clássicas e dos sistemas de massa pontual," disse Qian Yongjian.

Aplicando os teoremas mecânicos de Huygens à luz

A equipe usou um teorema mecânico originalmente proposto por Huygens em um livro de 1673 sobre pêndulos, que explica como a energia necessária para girar um objeto varia com a massa e o eixo de rotação do objeto. "Este é um teorema mecânico bem estabelecido que explica como funcionam sistemas físicos, como relógios ou próteses. Mas fomos capazes de mostrar que também pode fornecer novos insights sobre como a luz funciona."

Este teorema de 350 anos descreve a relação entre as massas e o seu momento rotacional, então como pode ser aplicado à luz quando não há massa para medir? A equipe de Qian interpretou a intensidade da luz como equivalente à massa de um objeto físico e depois mapeou essas medidas em um sistema de coordenadas que poderia ser explicado usando os teoremas mecânicos de Huygens. Basicamente, eles encontraram uma maneira de transformar um sistema óptico para que pudesse ser visualizado como um sistema mecânico e então descrito usando equações físicas completas.

Assim que a equipa visualizou as ondas de luz como parte de um sistema mecânico, novas conexões entre as suas propriedades tornaram-se imediatamente aparentes - incluindo uma relação clara entre emaranhamento e polarização.

Qian Yongjian disse: "Isso nunca foi demonstrado antes, mas uma vez que as propriedades da luz são mapeadas para um sistema mecânico, torna-se muito claro. O que antes era abstrato torna-se concreto: usando equações mecânicas, a distância entre o 'centro de massa' e outros pontos mecânicos pode ser medida de forma realista, mostrando assim a relação entre as diferentes propriedades da luz."

Esclarecer essas relações pode ter implicações práticas importantes, permitindo que propriedades sutis e difíceis de medir de sistemas ópticos - até mesmo sistemas quânticos - sejam deduzidas a partir de medições mais simples e confiáveis ​​da intensidade da luz. Mais especulativamente, as descobertas da equipe sugerem que pode ser possível usar sistemas mecânicos para simular e compreender melhor o comportamento estranho e complexo dos sistemas de ondas quânticas.

"Isso ainda está diante de nós, mas com este primeiro estudo, mostramos claramente que é possível compreender os sistemas ópticos de uma forma completamente nova, aplicando conceitos mecânicos. Em última análise, esta pesquisa ajuda a simplificar a forma como entendemos o mundo, permitindo-nos reconhecer as conexões intrínsecas entre leis físicas aparentemente não relacionadas, "disse Qian Yongjian.