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Nel 1673 Christiaan Huygens scrisse un libro sui pendoli e su come funzionano. Un teorema meccanico menzionato nel libro è stato utilizzato 350 anni dopo dai ricercatori dello Stevens Institute of Technology per spiegare i complessi comportamenti della luce, afferma una dichiarazione universitaria.

Sebbene la conosciamo da secoli, l’umanità ha trovato difficile spiegare la natura stessa della luce. Per secoli gli scienziati sono stati divisi se chiamarla onda o particella e quando sembrava esserci un accordo su cosa potesse effettivamente essere la luce, la fisica quantistica ha lanciato una nuova palla curva suggerendo che esistesse come entrambe le cose contemporaneamente.

I ricercatori che in precedenza stavano lavorando per confutare le affermazioni della fazione opposta, ora stanno dedicando del tempo a spiegare come la luce mostri contemporaneamente le proprietà sia delle onde che delle particelle.

Per fare ciò, un team guidato da Xiaofeng Qian, professore di fisica allo Stevens Institute of Technology, si è rivolto a un teorema meccanico di 350 anni che spiega come funzionano oggetti come i pendoli.

Huygens propose che la luce si propaga sotto forma di onde attraverso l'intero universo. Ma il fisico olandese spiegò anche come l'energia necessaria per far ruotare un oggetto dipendesse dalla sua massa e dall'asse attorno al quale doveva ruotare.

Questo teorema meccanico potrebbe essere usato per spiegare il movimento di oggetti come pendoli e pianeti.

Applicarlo alla luce però presentava un ostacolo. Il teorema utilizzava la massa degli oggetti e la luce non ha massa. Il team di Qian, quindi, ha utilizzato l'intensità della luce come equivalente della massa degli oggetti fisici. È diventato quindi possibile mappare le misurazioni su un sistema di coordinate per interpretare il teorema di Huygens, aggiunge la dichiarazione.

Ciò ha permesso al team di visualizzare la luce come parte di un sistema meccanico e le connessioni tra le proprietà delle onde come l’entanglement e la polarizzazione sono diventate più chiare, hanno affermato i ricercatori.

Conciliare le due scuole di pensiero sulla questione se la luce sia un’onda o una particella è stato particolarmente difficile. Sebbene la nuova ricerca non risolva questo problema, dimostra che esistono connessioni tra questi due sistemi, che non esistono solo a livello quantistico ma anche a livello di fisica classica, dove si ha a che fare con onde e sistemi puntiformi.

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"Ciò che una volta era astratto diventa concreto: utilizzando equazioni meccaniche si può letteralmente misurare la distanza tra il 'centro di massa' e altri punti meccanici per mostrare come le diverse proprietà della luce si relazionano tra loro", ha affermato Qian nella dichiarazione.

Investigare ulteriormente queste relazioni può aiutare gli scienziati a valutare le proprietà non solo dei sistemi ottici difficili da misurare ma anche dei sistemi quantistici. Le detrazioni per questi sistemi possono ora avvenire utilizzando misurazioni della luce che non sono solo molto più semplici da ottenere ma anche più robuste dal punto di vista della raccolta dei dati.

Inoltre, i ricercatori potrebbero anche applicare lo stesso sistema per esplorare i comportamenti complessi osservati nei sistemi di onde quantistiche. "In definitiva, questa ricerca sta aiutando a semplificare il modo in cui comprendiamo il mondo, permettendoci di riconoscere le connessioni intrinseche sottostanti tra leggi fisiche apparentemente non correlate", ha aggiunto Qian.

I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Physical Review Research.

Astratto

Sebbene l'ottica e la meccanica siano due rami distinti della fisica, sono collegati. È ben noto che il trattamento geometrico/raggi della luce ha analogie dirette con le descrizioni meccaniche del movimento delle particelle. Tuttavia, le connessioni tra l'ottica delle onde di coerenza e la meccanica classica sono raramente riportate. Qui riportiamo i collegamenti tra i due attraverso un'analisi quantitativa sistematica della polarizzazione e dell'entanglement, due proprietà di coerenza ottica nell'ambito della descrizione ondulatoria della luce introdotta da Huygens e Fresnel. Per campi luminosi arbitrari si ottiene una generica relazione di identità complementare. Più sorprendentemente, attraverso il sistema di coordinate baricentriche, si dimostra che la polarizzazione ottica, l'entanglement e la loro relazione di identità sono quantitativamente associati ai concetti meccanici di centro di massa e momento di inerzia tramite il teorema di Huygens-Steiner per la rotazione del corpo rigido. Il risultato ottenuto collega l'ottica delle onde di coerenza e la meccanica classica attraverso le due teorie di Huygens.