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Em 1673, Christiaan Huygens escreveu um livro sobre pêndulos e como eles funcionam. Um teorema mecânico mencionado no livro foi usado 350 anos depois por pesquisadores do Stevens Institute of Technology para explicar os comportamentos complexos da luz, disse um comunicado da universidade.

Embora seja conhecida há eras, a humanidade tem achado difícil explicar a própria natureza da luz. Durante séculos, os cientistas estiveram divididos sobre se deveriam chamá-la de onda ou de partícula e quando parecia haver algum acordo sobre o que a luz poderia realmente ser, a física quântica lançou uma nova bola curva ao sugerir que ela existia como as duas coisas ao mesmo tempo.

Os investigadores que anteriormente trabalhavam para refutar as afirmações da facção oposta têm agora dedicado tempo a explicar como a luz apresenta propriedades tanto de ondas como de partículas ao mesmo tempo.

Para fazer isso, uma equipe liderada por Xiaofeng Qian, professor de física no Stevens Institute of Technology recorreu a um teorema mecânico de 350 anos que explica como funcionam objetos como pêndulos.

Huygens propôs que a luz se propaga na forma de ondas por todo o universo. Mas o físico holandês também explicou como a energia necessária para girar um objeto dependia da sua massa e do eixo em torno do qual ele deveria ser girado.

Este teorema mecânico poderia ser usado para explicar o movimento de objetos como pêndulos e também de planetas.

Aplicar isso à luz teve um obstáculo. O teorema utilizou a massa dos objetos e a luz não possui massa. A equipe de Qian, portanto, usou a intensidade da luz como equivalente à massa dos objetos físicos. Tornou-se então possível mapear medições em um sistema de coordenadas para interpretar o teorema de Huygens, acrescentou o comunicado.

Isso permitiu à equipe visualizar a luz como parte de um sistema mecânico e as conexões entre as propriedades das ondas, como emaranhamento e polarização, tornaram-se mais claras, afirmaram os pesquisadores.

Conciliar as duas escolas de pensamento sobre se a luz é uma onda ou uma partícula tem sido particularmente difícil. Embora a nova investigação não resolva este problema, demonstra que existem ligações entre estas duas estruturas, que não existem apenas a nível quântico, mas também a nível da física clássica, onde se trata de ondas e sistemas de massa pontual.

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“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 entre si”, disse Qian no comunicado.

Investigar mais a fundo essas relações pode ajudar os cientistas a avaliar as propriedades não apenas de sistemas ópticos difíceis de medir, mas também de sistemas quânticos. As deduções para estes sistemas podem agora ocorrer utilizando medições de luz que não são apenas muito mais simples de conseguir, mas também mais robustas do ponto de vista da recolha de dados.

Além disso, os pesquisadores também poderiam aplicar o mesmo sistema para explorar os comportamentos complexos observados em sistemas de ondas quânticas. “Em última análise, esta investigação está a ajudar a simplificar a forma como entendemos o mundo, permitindo-nos reconhecer as conexões intrínsecas subjacentes entre leis físicas aparentemente não relacionadas”, acrescentou Qian.

Os resultados da pesquisa foram publicados na revista Physical Review Research.

Abstrato

Embora a óptica e a mecânica sejam dois ramos distintos da física, elas estão conectadas. É bem sabido que o tratamento geométrico/de raios da luz tem analogias diretas com as descrições mecânicas do movimento das partículas. No entanto, conexões entre a óptica das ondas de coerência e a mecânica clássica raramente são relatadas. Aqui relatamos ligações dos dois através de uma análise quantitativa sistemática de polarização e emaranhamento, duas propriedades de coerência óptica sob a descrição de onda da luz iniciada por Huygens e Fresnel. Uma relação de identidade complementar genérica é obtida para campos de luz arbitrários. Mais surpreendentemente, através do sistema de coordenadas baricêntricas, a polarização óptica, o emaranhamento e sua relação de identidade mostram-se quantitativamente associados aos conceitos mecânicos de centro de massa e momento de inércia através do teorema de Huygens-Steiner para rotação de corpo rígido. O resultado obtido une a óptica de ondas de coerência e a mecânica clássica através das duas teorias de Huygens.