Los investigadores han utilizado un teorema mecánico de 350 años de antigüedad comúnmente aplicado a objetos tangibles para revelar nuevos conocimientos sobre la naturaleza de la luz. Al interpretar la intensidad de la luz como equivalente a la masa física, mapearon la luz en un sistema al que se podían aplicar ecuaciones mecánicas establecidas. Este enfoque revela una correlación directa entre el grado de entrelazamiento no cuántico de las ondas de luz y su grado de polarización. Estos hallazgos podrían simplificar la comprensión de propiedades ópticas y cuánticas complejas mediante mediciones más directas de la intensidad de la luz.
Investigadores del Instituto de Tecnología Stevens han aplicado un teorema de 350 años utilizado originalmente para describir el comportamiento de péndulos y planetas para revelar nuevas propiedades de las ondas de luz.
Desde que Isaac Newton y Christiaan Huygens debatieron la naturaleza de la luz en el siglo XVII, la comunidad científica se ha enfrentado a la pregunta: ¿Es la luz una onda o una partícula o, a nivel cuántico, una onda o una partícula? Ahora, investigadores del Instituto de Tecnología Stevens han revelado una nueva conexión entre las dos ideas, utilizando un teorema mecánico de 350 años de antigüedad -usado a menudo para describir el movimiento de grandes objetos físicos como péndulos y planetas- para explicar algunos de los comportamientos más complejos de las ondas de luz.
Revelando conexiones entre las propiedades de la luz.
Este trabajo de investigación, dirigido por Qian Xiaofeng, profesor asistente de física en la Universidad de Stevens, se publicó en la revista Physical Review Research en línea el 17 de agosto. También demostró por primera vez que existe una relación complementaria directa entre el grado de entrelazamiento no cuántico de las ondas de luz y su grado de polarización. A medida que uno sube, el otro baja, por lo que el grado de entrelazamiento puede inferirse directamente del grado de polarización, y viceversa. Esto significa que propiedades ópticas difíciles de medir, como la amplitud, la fase y la correlación, e incluso propiedades de los sistemas de ondas cuánticas, pueden derivarse de algo mucho más fácil de medir: la intensidad de la luz.
Físicos del Instituto de Tecnología Stevens han revelado nuevas propiedades de las ondas de luz utilizando un teorema de 350 años para explicar cómo funcionan los péndulos y los planetas. Fuente de la imagen: Instituto de Tecnología Stevens
"Durante más de un siglo, hemos sabido que la luz a veces se comporta como una onda y a veces como una partícula, pero reconciliar estos dos marcos ha resultado extremadamente difícil, y nuestro trabajo no resuelve el problema, pero sí muestra que existen conexiones profundas entre los conceptos de onda y partícula no sólo a nivel cuántico, sino también a nivel de las ondas de luz clásicas y los sistemas de masa puntual", dijo Qian Yongjian.
Aplicando los teoremas mecánicos de Huygens a la luz
El equipo utilizó un teorema mecánico propuesto originalmente por Huygens en un libro de 1673 sobre péndulos, que explica cómo la energía necesaria para rotar un objeto varía con la masa y el eje de rotación del objeto. "Se trata de un teorema mecánico bien establecido que explica cómo funcionan los sistemas físicos, como los relojes o las prótesis. Pero pudimos demostrar que también puede proporcionar nuevos conocimientos sobre cómo funciona la luz".
Este teorema de 350 años describe la relación entre las masas y su momento de rotación, entonces, ¿cómo se puede aplicar a la luz cuando no hay masa que medir? El equipo de Qian interpretó la intensidad de la luz como equivalente a la masa de un objeto físico y luego trazó estas medidas en un sistema de coordenadas que podría explicarse utilizando los teoremas mecánicos de Huygens. Básicamente, encontraron una manera de transformar un sistema óptico para que pudiera visualizarse como un sistema mecánico y luego describirse utilizando ecuaciones físicas completas.
Una vez que el equipo visualizó las ondas de luz como parte de un sistema mecánico, inmediatamente se hicieron evidentes nuevas conexiones entre sus propiedades, incluida una relación clara entre entrelazamiento y polarización.
Qian Yongjian dijo: "Esto nunca se ha demostrado antes, pero una vez que las propiedades de la luz se asignan a un sistema mecánico, queda muy claro. Lo que alguna vez fue abstracto se vuelve concreto: usando ecuaciones mecánicas, la distancia entre el 'centro de masa' y otros puntos mecánicos se puede medir de manera realista, mostrando así la relación entre las diferentes propiedades de la luz".
Aclarar estas relaciones podría tener importantes implicaciones prácticas, permitiendo deducir propiedades sutiles y difíciles de medir de los sistemas ópticos (incluso los sistemas cuánticos) a partir de mediciones más simples y confiables de la intensidad de la luz. De manera más especulativa, los hallazgos del equipo sugieren que puede ser posible utilizar sistemas mecánicos para simular y comprender mejor el extraño y complejo comportamiento de los sistemas de ondas cuánticas.
"Esto todavía está ante nosotros, pero con este primer estudio, hemos demostrado claramente que es posible comprender los sistemas ópticos de una manera completamente nueva aplicando conceptos mecánicos. En última instancia, esta investigación ayuda a simplificar la forma en que entendemos el mundo, permitiéndonos reconocer las conexiones intrínsecas entre leyes físicas aparentemente no relacionadas", dijo Qian Yongjian.