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ValeryBrozhinsky/iStock

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En 1673, Christiaan Huygens escribió un libro sobre los péndulos y su funcionamiento. Un teorema mecánico mencionado en el libro fue utilizado 350 años después por investigadores del Instituto de Tecnología Stevens para explicar los complejos comportamientos de la luz, según un comunicado de la universidad.

Aunque la conocemos desde hace eones, a la humanidad le ha resultado difícil explicar la naturaleza misma de la luz. Durante siglos, los científicos han estado divididos sobre si llamarla onda o partícula y cuando parecía haber cierto acuerdo sobre lo que realmente podría ser la luz, la física cuántica lanzó una nueva bola curva al sugerir que existía como ambas a la vez.

Los investigadores que anteriormente trabajaban para refutar las afirmaciones de la facción opuesta ahora han dedicado tiempo a explicar cómo la luz muestra propiedades tanto de ondas como de partículas a la vez.

Para ello, un equipo dirigido por Xiaofeng Qian, profesor de física en el Instituto de Tecnología Stevens, recurrió a un teorema mecánico de 350 años de antigüedad que explica cómo funcionan objetos como los péndulos.

Huygens propuso que la luz se propaga en forma de ondas por todo el universo. Pero el físico holandés también explicó cómo la energía necesaria para girar un objeto dependía de su masa y del eje alrededor del cual debía girar.

Este teorema mecánico podría utilizarse para explicar el movimiento de objetos como péndulos y planetas.

Sin embargo, aplicar esto a la luz tuvo un obstáculo. El teorema utiliza la masa de los objetos y la luz no tiene masa. Por lo tanto, el equipo de Qian utilizó la intensidad de la luz como equivalente a la masa de los objetos físicos. Entonces fue posible mapear mediciones en un sistema de coordenadas para interpretar el teorema de Huygens, añade el comunicado.

Esto permitió al equipo visualizar la luz como parte de un sistema mecánico y las conexiones entre las propiedades de las ondas, como el entrelazamiento y la polarización, se hicieron más claras, afirmaron los investigadores.

Conciliar las dos escuelas de pensamiento sobre si la luz es una onda o una partícula ha sido particularmente difícil. Si bien la nueva investigación no resuelve este problema, demuestra que existen conexiones entre estos dos marcos, que no existen sólo a nivel cuántico sino también a nivel de física clásica, donde se trata de ondas y sistemas de masa puntual.

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"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", dijo Qian en el comunicado.

Investigar más a fondo estas relaciones puede ayudar a los científicos a evaluar las propiedades no sólo de los sistemas ópticos difíciles de medir, sino también de los sistemas cuánticos. Las deducciones para estos sistemas ahora pueden realizarse utilizando mediciones de luz que no sólo son mucho más simples de lograr sino también más sólidas desde el punto de vista de la recopilación de datos.

Además, los investigadores también podrían aplicar el mismo sistema para explorar los comportamientos complejos observados en los sistemas de ondas cuánticas. "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", añadió Qian.

Los hallazgos de la investigación fueron publicados en la revista Physical Review Research.

Abstracto

Si bien la óptica y la mecánica son dos ramas distintas de la física, están conectadas. Es bien sabido que el tratamiento geométrico/rayo de la luz tiene analogías directas con las descripciones mecánicas del movimiento de las partículas. Sin embargo, rara vez se informan conexiones entre la óptica de ondas de coherencia y la mecánica clásica. Aquí informamos los vínculos de los dos a través de un análisis cuantitativo sistemático de la polarización y el entrelazamiento, dos propiedades de coherencia óptica bajo la descripción ondulatoria de la luz iniciada por Huygens y Fresnel. Se obtiene una relación de identidad complementaria genérica para campos de luz arbitrarios. Más sorprendentemente, a través del sistema de coordenadas baricéntrico, se muestra que la polarización óptica, el entrelazamiento y su relación de identidad están asociados cuantitativamente con los conceptos mecánicos de centro de masa y momento de inercia a través del teorema de Huygens-Steiner para la rotación de cuerpos rígidos. El resultado obtenido une la óptica de ondas de coherencia y la mecánica clásica a través de las dos teorías de Huygens.