Un teorema de 350 años revela nuevas propiedades de las ondas de luz

Un teorema de 350 años usado para describir el movimiento de objetos físicos como péndulos y planetas sirve además para explicar algunos de los comportamientos más complejos de las ondas luminosas.

Desde el siglo XVII, cuando Isaac Newton y Christiaan Huygens debatieron por primera vez sobre la naturaleza de la luz, los científicos han estado desconcertados sobre si es mejor ver la luz como una onda o una partícula, o tal vez, a nivel cuántico, incluso ambas a la vez.

El trabajo, dirigido por Xiaofeng Qian, profesor asistente de física en Stevens y publicado en Physical Review Research, ha revelado una nueva conexión entre las dos perspectivas. También demuestra por primera vez que el grado de entrelazamiento no cuántico de una onda de luz existe en una relación directa y complementaria. con su grado de polarización. A medida que uno sube, el otro cae, lo que permite inferir el nivel de entrelazamiento directamente del nivel de polarización, y viceversa.

Esto significa que propiedades ópticas difíciles de medir, como amplitudes, fases y correlaciones (quizás incluso las de los sistemas de ondas cuánticas) pueden deducirse de algo mucho más fácil de medir: la intensidad de la luz.

"Sabemos desde hace más de un siglo que la luz a veces se comporta como una onda y otras como una partícula, pero reconciliar esos dos marcos ha resultado extremadamente difícil", dijo Qian en un comunicado. "Nuestro trabajo no resuelve ese problema, pero sí muestra que existen conexiones profundas entre los conceptos de onda y partícula no sólo a nivel cuántico, sino también al nivel de las ondas de luz clásicas y los sistemas de masa puntual".

El equipo de Qian utilizó un teorema mecánico, desarrollado originalmente por Huygens en un libro de 1673 sobre péndulos, que explica cómo la energía necesaria para girar un objeto varía según la masa del objeto y el eje alrededor del cual gira. "Este es un teorema mecánico bien establecido que explica el funcionamiento de sistemas físicos como relojes o prótesis", explicó Qian. "Pero pudimos demostrar que también puede ofrecer nuevos conocimientos sobre cómo funciona la luz".

Este teorema de 350 años describe las relaciones entre las masas y su momento de rotación, entonces, ¿cómo podría aplicarse a la luz donde no hay masa que medir? El equipo de Qian interpretó la intensidad de una luz como el equivalente a la masa de un objeto físico y luego trazó esas mediciones en un sistema de coordenadas que podría interpretarse utilizando el teorema mecánico de Huygens. "Básicamente, encontramos una manera de traducir un sistema óptico para poder visualizarlo como un sistema mecánico y luego describirlo utilizando ecuaciones físicas bien establecidas", explicó Qian.

Una vez que el equipo visualizó una onda de luz como parte de un sistema mecánico, inmediatamente se hicieron evidentes nuevas conexiones entre las propiedades de la onda, incluido el hecho de que el entrelazamiento y la polarización mantenían una clara relación entre sí.

"Esto era algo que no se había demostrado antes, pero que queda muy claro una vez que se mapean las propiedades de la luz en un sistema mecánico", dijo Qian. "Lo que alguna vez fue abstracto se vuelve concreto: usando ecuaciones mecánicas, puedes medir literalmente la distancia entre el 'centro de masa' y otros puntos mecánicos para mostrar cómo las diferentes propiedades de la luz se relacionan entre sí".

Aclarar estas relaciones podría tener importantes implicaciones prácticas, permitiendo deducir propiedades sutiles y difíciles de medir de los sistemas ópticos (o incluso de los sistemas cuánticos) a partir de mediciones más simples y robustas de la intensidad de la luz, explicó Qian. De manera más especulativa, los hallazgos del equipo sugieren la posibilidad de utilizar sistemas mecánicos para simular y comprender mejor los comportamientos extraños y complejos de los sistemas de ondas cuánticas.

"Eso todavía está por delante, pero con este primer estudio hemos demostrado claramente que aplicando conceptos mecánicos, es posible entender los sistemas ópticos de una manera completamente nueva", dijo Qian. "En última instancia, esta investigación está ayudando a simplificar la forma en que entendemos el mundo, al permitirnos reconocer las conexiones subyacentes intrínsecas entre leyes físicas aparentemente no relacionadas".