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Desde o século 17, quando Isaac Newton e Christiaan Huygens debateram pela primeira vez a natureza da luz, os cientistas têm se perguntado se a luz é melhor vista como uma onda ou uma partícula – ou talvez, no nível quântico, até mesmo os dois ao mesmo tempo. Agora, pesquisadores do Stevens Institute of Technology revelaram uma nova conexão entre as duas perspectivas, usando um teorema mecânico de 350 anos – normalmente usado para descrever o movimento de grandes objetos físicos como pêndulos e planetas – para explicar alguns dos os comportamentos mais complexos das ondas de luz.
O trabalho, liderado por Xiaofeng Qian, professor assistente de física na Stevens e relatado na edição online de 17 de agosto da Pesquisa de revisão física, também prova pela primeira vez que o grau de emaranhamento não quântico de uma onda de luz existe em uma relação direta e complementar com seu grau de polarização. À medida que um sobe, o outro cai, permitindo que o nível de emaranhamento seja inferido diretamente do nível de polarização e vice-versa. Isso significa que propriedades ópticas difíceis de medir, como amplitudes, fases e correlações – talvez até mesmo as dos sistemas de ondas quânticas – podem ser deduzidas de algo muito mais fácil de medir: a intensidade da luz.
“Sabemos há mais de um século que a luz às vezes se comporta como uma onda e às vezes como uma partícula, mas reconciliar essas duas estruturas provou ser extremamente difícil”, disse Qian “Nosso trabalho não resolve esse problema – mas resolve mostram que existem conexões profundas entre os conceitos de onda e partícula não apenas no nível quântico, mas também no nível das ondas de luz clássicas e dos sistemas ponto-massa.”
A equipe de Qian usou um teorema mecânico, originalmente desenvolvido por Huygens em um livro de 1673 sobre pêndulos, que explica como a energia necessária para girar um objeto varia dependendo da massa do objeto e do eixo em torno do qual ele gira. “Este é um teorema mecânico bem estabelecido que explica o funcionamento de sistemas físicos como relógios ou próteses”, explicou Qian. “Mas fomos capazes de mostrar que também pode oferecer novos insights sobre como a luz funciona.”
Este teorema de 350 anos descreve as relações entre massas e seu momento de rotação, então como ele poderia ser aplicado à luz onde não há massa para medir? A equipe de Qian interpretou a intensidade de uma luz como o equivalente à massa de um objeto físico e, em seguida, mapeou essas medições em um sistema de coordenadas que poderia ser interpretado usando o teorema mecânico de Huygens. “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”, explicou Qian.
Uma vez que a equipe visualizou uma onda de luz como parte de um sistema mecânico, novas conexões entre as propriedades da onda imediatamente se tornaram aparentes – incluindo o fato de que o emaranhamento e a polarização mantinham uma relação clara entre si.
“Isso era algo que não havia sido mostrado antes, mas fica muito claro quando você mapeia as propriedades da luz em um sistema mecânico”, disse Qian. “O que antes era abstrato torna-se concreto: usando equações mecânicas, você pode literalmente medir a distância entre o ‘centro de massa’ e outros pontos mecânicos para mostrar como as diferentes propriedades da luz se relacionam umas com as outras.”
Esclarecer essas relações pode ter implicações práticas importantes, permitindo que propriedades sutis e difíceis de medir de sistemas ópticos – ou mesmo sistemas quânticos – sejam deduzidas de medições mais simples e robustas da intensidade da luz, explicou Qian. Mais especulativamente, as descobertas da equipe sugerem a possibilidade de usar sistemas mecânicos para simular e entender melhor os comportamentos estranhos e complexos dos sistemas de ondas quânticas.
“Isso ainda está por vir, mas com este primeiro estudo mostramos claramente que, ao aplicar conceitos mecânicos, é possível entender os sistemas ópticos de uma maneira totalmente nova”, disse Qian. “Em última análise, esta pesquisa está ajudando a simplificar a maneira como entendemos o mundo, permitindo-nos reconhecer as conexões subjacentes intrínsecas entre leis físicas aparentemente não relacionadas”.
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