O teoremă veche de 350 de ani dezvăluie o legătură „profundă” între proprietățile luminii

Christiaan Huygens, născut în Olanda, este probabil unul dintre cei mai faimoși fizicieni despre care nu ați auzit niciodată. Lucrarea sa de la sfârșitul secolului al XVII-lea a cuprins atât tărâmurile intangibile, cât și pe cele tangibile ale Universului nostru: natura luminii și mecanica obiectelor în mișcare. Acum, o teoremă veche dezvăluie legătura „profundă” dintre proprietățile luminii.

Printre numeroasele sale contribuții, Huygens a propus o teorie ondulatorie a luminii care ar da naștere opticii fizice, care se ocupă de interferența, difracția și polarizarea luminii. El a inventat și primul ceas cu pendul, cel mai precis mod de a ține evidența timpului pentru aproape 300 de ani, chiar în Revoluția Industrială.

• Telescopul Webb a găsit o populație neobișnuit de mare de asteroizi între Jupiter și Marte
• Un nou studiu dezvăluie cum au jucat cometele un rol „major” în apariția vieții pe Pământ

S-au făcut puține despre conexiunile dintre două domenii aparent disparate ale opticii și mecanicii clasice. Până acum.

Legătura „profundă” dintre proprietățile luminii a fost descoperită

Doi fizicieni de la Institutul de Tehnologie Stevens din New Jersey (SUA) au analizat lucrările fundamentale ale lui Huygens despre pendul, publicate în 1673, și au folosit teorema sa mecanică veche de 350 de ani pentru a descoperi legătura „profundă” dintre proprietățile luminii.

„Cu acest prim studiu am arătat în mod clar că, prin aplicarea conceptelor mecanice, este posibil să înțelegem sistemele optice într-un mod cu totul nou”, spune fizicianul Xiaofeng Qian.

Qian și colegul său Misagh Izadi au luat în considerare două proprietăți ale luminii în calculele lor: polarizarea și o formă de corelație cunoscută drept încâlcire clasică, sau non-cuantică.

Aceste două proprietăți reflectă ciudata dualitate a luminii care pătrunde în fiecare parte a Universului nostru. Într-un sens cuantic, lumina (ca toate formele de materie) poate fi descrisă prin unde care călătoresc prin spațiu, dar și ca particule discrete localizate într-un singur punct, explică Science Alert.

Paralela dintre fizica cuantică și cea mecanică

Totuși, acesta nu este doar un fenomen cuantic. În lumea clasică a rotițelor dințate, a arcurilor și a ceasurilor, undele luminoase se ridică și cad ca niște ondulații fizice pe un ocean intangibil, cu proprietăți legate de progresul lor în continuă schimbare prin spațiu.

„Știm de peste un secol că lumina se comportă uneori ca o undă și uneori ca o particulă, dar reconcilierea acestor două cadre s-a dovedit extrem de dificilă”, a spus Qian.

„Munca noastră nu rezolvă această problemă, dar arată că există conexiuni profunde între conceptele de unde și cele de particule nu doar la nivel cuantic, ci și la nivelul sistemelor clasice de unde luminoase și de masă punctuală”, continuă omul de știință.

Considerată cel mai frecvent drept un fenomen cuantic, încâlcirea descrie pur și simplu corelații în proprietățile obiectelor.

Pentru particule, aceasta ar putea fi spinii electronilor sau impulsul sau poziția unei perechi de fotoni. Cunoașterea unei informații despre una dintre aceste caracteristici pentru o particulă va spune ceva despre aceeași caracteristică pentru cealaltă.

Încâlcirea clasică descrie, de asemenea, anumite corelații, dar fără a fi nevoie să se ia în considerare natura nestabilită a unui obiect înainte de măsurarea acestuia.

Care este legătura „profundă” dintre proprietățile luminii?

Polarizarea este proprietatea direcțională a unei unde luminoase care oscilează în sus și în jos, sau la stânga și la dreapta. Particulele precum fotonii, pachetele de energie care alcătuiesc un fascicul de lumină, pot fi și ele polarizate.

Dacă o undă luminoasă oscilează, la fel ca un pendul, atunci Qian și Izadi s-au gândit că ar putea fi capabili să folosească mecanica celui din urmă pentru a descrie proprietățile celei dintâi.

„În esență, am găsit o modalitate de a traduce un sistem optic astfel încât să-l putem vizualiza ca pe un sistem mecanic, apoi să-l descriem folosind ecuații fizice bine înțelese”, explică Qian.

De obicei, mecanica clasică este folosită pentru a descrie mișcarea obiectelor fizice mari, cum ar fi pendulele și planetele. De exemplu, teorema axei paralele a lui Huygens descrie relația dintre mase și impulsul lor de rotație.

Qian și Izadi au considerat lumina ca fiind un sistem mecanic căruia i se putea aplica teorema axei paralele a lui Huygens și au găsit legătura „profundă” dintre proprietățile luminii: gradul de polarizare a undei luminoase era direct legat de gradul unei proprietăți recent recunoscute numită încâlcirea spațiu-vector.

Calculele lui Qian și Izadi sugerează că, pe măsură ce o proprietate crește, cealaltă scade, permițând ca nivelul de încâlcire să fie dedus direct din nivelul de polarizare și invers.

„În cele din urmă, această cercetare ajută la simplificarea modului în care înțelegem lumea, permițându-ne să recunoaștem conexiunile subiacente intrinseci dintre legile fizice aparent neînrudite”, spune Qian.

Studiul a fost publicat în Physical Review Research.

Vă recomandăm să citiți și:

Au dovedit matematicienii că există Dumnezeu? Intelectualul din secolul XX care s-a apropiat cel mai mult

O tehnologie revoluționară a câștigat Premiul Nobel pentru Chimie 2023

O echipă de cercetători a observat cum diamantele sintetice s-au autovindecat la temperatura camerei

Cercetătorii au descoperit cum am putea „să auzim” imagini