Desde el siglo XVII, cuando Isaac Newton y Christiaan Huygens debatieron por primera vez sobre la naturaleza de la luz, los científicos se han estado preguntando si la luz se ve mejor como una onda o como una partícula, o tal vez, a nivel cuántico, incluso ambos a la vez. Ahora, los investigadores del Instituto de Tecnología Stevens en Estados Unidos han revelado una nueva conexión entre las dos perspectivas, utilizando un teorema mecánico de 350 años de antigüedad, que normalmente se usa para describir el movimiento de objetos físicos grandes como péndulos y planetas, para explicar algunos de los más importantes comportamientos complejos de las ondas de luz.
El trabajo, publicado ayer en Physical Review Research, también prueba 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. Es decir, el paper también prueba que las ondas de las partículas de luz no vinculadas (entrelazadas) entre sí existen en una relación directa y complementaria con su dirección de propagación (polarización) o la dirección donde se dirigen. 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 las propiedades ópticas difíciles de medir, como amplitudes, fases y correlaciones, quizás incluso las de los sistemas de ondas cuánticas, se pueden deducir 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», dice Xiaofeng Qian, el investigador principal del estudio. «Nuestro trabajo no resuelve ese problema, pero muestra que existen conexiones profundas entre los conceptos de onda y partícula no solo a nivel cuántico, sino también a nivel de ondas de luz clásicas y sistemas de masa puntual”.
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El equipo de Qian usó un teorema mecánico, desarrollado originalmente por Huygens en un libro de 1673 sobre péndulos, que explica cómo la energía requerida para rotar 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 para medir? El equipo de Qian interpretó la intensidad de una luz como el equivalente de la masa de un objeto físico, luego mapeó esas medidas en un sistema de coordenadas que podría interpretarse usando el teorema mecánico de Huygens. “Esencialmente, encontramos una manera de traducir un sistema óptico para poder visualizarlo como un sistema mecánico y luego describirlo usando 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 tenían una relación clara entre sí.
“Esto era algo que no se había mostrado antes, pero que queda muy claro una vez que mapeas las propiedades de la luz en un sistema mecánico”, dijo Qian. «Lo que antes era 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».
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Aclarar estas relaciones podría tener importantes implicaciones prácticas, permitiendo que las propiedades sutiles y difíciles de medir de los sistemas ópticos, o incluso los sistemas cuánticos, se deduzcan a partir de mediciones más simples y sólidas de la intensidad de la luz, explicó Qian. Más especulativamente, los hallazgos del equipo sugieren la posibilidad de usar sistemas mecánicos para simular y comprender mejor los comportamientos extraños y complejos de los sistemas de ondas cuánticas.
“Eso aún está por delante de nosotros, pero con este primer estudio hemos demostrado claramente que al aplicar conceptos mecánicos, es posible comprender 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”.
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[Editado por Rebello Ceballos del artículo original publicado por el Instituto de Tecnología Stevens]
