Les chercheurs ont utilisé un théorème mécanique vieux de 350 ans, couramment appliqué aux objets tangibles, pour révéler de nouvelles informations sur la nature de la lumière. En interprétant l’intensité de la lumière comme équivalente à la masse physique, ils ont cartographié la lumière sur un système auquel des équations mécaniques établies pouvaient être appliquées. Cette approche révèle une corrélation directe entre le degré d'intrication non quantique des ondes lumineuses et leur degré de polarisation. Ces résultats pourraient simplifier la compréhension de propriétés optiques et quantiques complexes grâce à des mesures plus directes de l’intensité lumineuse.
Des chercheurs du Stevens Institute of Technology ont appliqué un théorème vieux de 350 ans, initialement utilisé pour décrire le comportement des pendules et des planètes, afin de révéler de nouvelles propriétés des ondes lumineuses.
Depuis qu'Isaac Newton et Christiaan Huygens ont débattu de la nature de la lumière au XVIIe siècle, la communauté scientifique se pose la question suivante : la lumière est-elle une onde ou une particule ou, au niveau quantique, une onde ou une particule ? Aujourd'hui, des chercheurs du Stevens Institute of Technology ont révélé un nouveau lien entre les deux idées, en utilisant un théorème mécanique vieux de 350 ans - souvent utilisé pour décrire le mouvement de grands objets physiques tels que les pendules et les planètes - pour expliquer certains des comportements les plus complexes des ondes lumineuses.
Révéler les liens entre les propriétés de la lumière
Ces travaux de recherche, dirigés par Qian Xiaofeng, professeur adjoint de physique à l'Université Stevens, ont été publiés dans la revue Physical Review Research publiée en ligne le 17 août. Ils ont également prouvé pour la première fois qu'il existe une relation complémentaire directe entre le degré d'intrication non quantique des ondes lumineuses et leur degré de polarisation. À mesure que l’un monte, l’autre descend, de sorte que le degré d’intrication peut être déduit directement du degré de polarisation, et vice versa. Cela signifie que des propriétés optiques difficiles à mesurer telles que l’amplitude, la phase et la corrélation, et même les propriétés des systèmes d’ondes quantiques, peuvent être dérivées de quelque chose de beaucoup plus facile à mesurer : l’intensité lumineuse.
Des physiciens du Stevens Institute of Technology ont révélé de nouvelles propriétés des ondes lumineuses en utilisant un théorème vieux de 350 ans pour expliquer le fonctionnement des pendules et des planètes. Source de l'image : Institut de technologie Stevens
"Depuis plus d'un siècle, nous savons que la lumière se comporte parfois comme une onde et parfois comme une particule, mais concilier ces deux cadres s'est avéré extrêmement difficile, et notre travail ne résout pas le problème, mais il montre qu'il existe des liens profonds entre les concepts d'onde et de particule, non seulement au niveau quantique, mais également au niveau des ondes lumineuses classiques et des systèmes de masse ponctuelle", a déclaré Qian Yongjian.
Application des théorèmes mécaniques de Huygens à la lumière
L'équipe a utilisé un théorème mécanique initialement proposé par Huygens dans un livre de 1673 sur les pendules, qui explique comment l'énergie nécessaire pour faire tourner un objet varie en fonction de la masse et de l'axe de rotation de l'objet. "Il s'agit d'un théorème mécanique bien établi qui explique le fonctionnement de systèmes physiques tels que les horloges ou les prothèses. Mais nous avons pu montrer qu'il peut également fournir de nouvelles informations sur le fonctionnement de la lumière."
Ce théorème vieux de 350 ans décrit la relation entre les masses et leur moment de rotation. Comment peut-il être appliqué à la lumière lorsqu'il n'y a pas de masse à mesurer ? L'équipe de Qian a interprété l'intensité de la lumière comme équivalente à la masse d'un objet physique, puis a cartographié ces mesures sur un système de coordonnées qui pourrait être expliqué à l'aide des théorèmes mécaniques de Huygens. Fondamentalement, ils ont trouvé un moyen de transformer un système optique afin qu’il puisse être visualisé comme un système mécanique, puis décrit à l’aide d’équations physiques complètes.
Une fois que l’équipe a visualisé les ondes lumineuses comme faisant partie d’un système mécanique, de nouvelles connexions entre leurs propriétés sont immédiatement devenues apparentes, notamment une relation claire entre l’intrication et la polarisation.
Qian Yongjian a déclaré : « Cela n'a jamais été démontré auparavant, mais une fois que les propriétés de la lumière sont mappées à un système mécanique, cela devient très clair. Ce qui était autrefois abstrait devient concret : à l'aide d'équations mécaniques, la distance entre le « centre de masse » et d'autres points mécaniques peut être mesurée de manière réaliste, montrant ainsi la relation entre les différentes propriétés de la lumière.
Clarifier ces relations pourrait avoir d'importantes implications pratiques, en permettant de déduire des propriétés subtiles et difficiles à mesurer des systèmes optiques - même des systèmes quantiques - à partir de mesures plus simples et plus fiables de l'intensité lumineuse. De manière plus spéculative, les résultats de l'équipe suggèrent qu'il pourrait être possible d'utiliser des systèmes mécaniques pour simuler et mieux comprendre le comportement étrange et complexe des systèmes d'ondes quantiques.
"C'est encore devant nous, mais avec cette première étude, nous avons clairement montré qu'il est possible de comprendre les systèmes optiques d'une manière complètement nouvelle en appliquant des concepts mécaniques. En fin de compte, cette recherche contribue à simplifier la façon dont nous comprenons le monde, nous permettant de reconnaître les liens intrinsèques entre des lois physiques apparemment sans rapport", a déclaré Qian Yongjian.