Un théorème vieux de 350 ans révèle de nouvelles propriétés de la lumière

Des chercheurs du Stevens Institute of Technology ont appliqué un théorème vieux de 350 ans, utilisé à l’origine pour décrire le comportement des pendules et des planètes afin de révéler de nouvelles propriétés des ondes lumineuses.

Depuis les débats du XVIIe siècle entre Isaac Newton et Christiaan Huygens sur l’essence de la lumière, la communauté scientifique se pose la question suivante : la lumière est-elle une onde ou une particule – ou peut-être, au niveau quantique, même les deux à la fois ? Aujourd’hui, des chercheurs du Stevens Institute of Technology ont révélé un nouveau lien entre les deux perspectives, en utilisant un théorème mécanique vieux de 350 ans – habituellement utilisé pour décrire le mouvement de grands objets physiques comme les pendules et les planètes – pour expliquer certains des phénomènes. comportements les plus complexes des ondes lumineuses.

Découvrir les connexions entre les propriétés de la lumière

Les travaux, dirigés par Xiaofeng Qian, professeur adjoint de physique à Stevens et rapportés dans le numéro en ligne du 17 août de Physical Review Research, prouvent également pour la première fois que le degré d’intrication non quantique d’une onde lumineuse existe dans une relation directe et complémentaire. avec son degré de polarisation. À mesure que l’un monte, l’autre diminue, ce qui permet de déduire directement le niveau d’intrication du niveau de polarisation, et vice versa. Cela signifie que des propriétés optiques difficiles à mesurer telles que les amplitudes, les phases et les corrélations – peut-être même celles des systèmes d’ondes quantiques – peuvent être déduites de quelque chose de beaucoup plus facile à mesurer : l’intensité lumineuse.

Les physiciens du Stevens Institute of Technology utilisent un théorème vieux de 350 ans qui explique le fonctionnement des pendules et des planètes pour révéler de nouvelles propriétés des ondes lumineuses. Crédit:
Institut de technologie Stevens

“Nous savons depuis plus d’un siècle que la lumière se comporte parfois comme une onde, parfois comme une particule, mais concilier ces deux cadres s’est avéré extrêmement difficile”, a déclaré Qian. “Notre travail ne résout pas ce problème, mais il montre qu’il existe des liens profonds entre les concepts d’ondes et de particules, non seulement au niveau quantique, mais au niveau des ondes lumineuses classiques et des systèmes de masse ponctuelle.

Application du théorème mécanique de Huygens à la lumière

L’équipe de Qian a utilisé un théorème mécanique, initialement développé 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 de l’objet et de l’axe autour duquel il tourne. “Il s’agit d’un théorème mécanique bien établi qui explique le fonctionnement de systèmes physiques tels que les horloges ou les prothèses”, a expliqué Qian. “Mais nous avons pu montrer que cela peut également offrir de nouvelles perspectives sur le fonctionnement de la lumière.”

Ce théorème vieux de 350 ans décrit les relations entre les masses et leur moment de rotation. Comment pourrait-il être appliqué à la lumière là où il n’y a pas de masse à mesurer ? L’équipe de Qian a interprété l’intensité d’une lumière comme l’équivalent de la masse d’un objet physique, puis a cartographié ces mesures sur un système de coordonnées pouvant être interprété à l’aide du théorème mécanique de Huygens. “Essentiellement, nous avons trouvé un moyen de traduire un système optique afin de pouvoir le visualiser comme un système mécanique, puis le décrire à l’aide d’équations physiques bien établies”, a expliqué Qian.

Une fois que l’équipe a visualisé une onde lumineuse comme faisant partie d’un système mécanique, de nouveaux liens entre les propriétés de l’onde sont immédiatement devenus apparents, notamment le fait que l’intrication et la polarisation entretenaient une relation claire l’une avec l’autre.

“C’était quelque chose qui n’avait jamais été démontré auparavant, mais cela devient très clair une fois que vous cartographiez les propriétés de la lumière sur un système mécanique”, a déclaré Qian. « Ce qui était autrefois abstrait devient concret : à l’aide d’équations mécaniques, vous pouvez littéralement mesurer la distance entre le « centre de masse » et d’autres points mécaniques pour montrer comment les différentes propriétés de la lumière sont liées les unes aux autres.

Clarifier ces relations pourrait avoir d’importantes implications pratiques, permettant de déduire les propriétés subtiles et difficiles à mesurer des systèmes optiques – ou même des systèmes quantiques – à partir de mesures plus simples et plus robustes de l’intensité lumineuse, a expliqué Qian. De manière plus spéculative, les résultats de l’équipe suggèrent la possibilité d’utiliser des systèmes mécaniques pour simuler et mieux comprendre les comportements étranges et complexes des systèmes d’ondes quantiques.

“Cela nous attend encore, mais avec cette première étude, nous avons clairement montré qu’en appliquant des concepts mécaniques, il est possible de comprendre les systèmes optiques d’une manière entièrement nouvelle”, a déclaré Qian. “En fin de compte, cette recherche contribue à simplifier la façon dont nous comprenons le monde, en nous permettant de reconnaître les liens intrinsèques sous-jacents entre des lois physiques apparemment sans rapport.”

Référence : « Bridging Coherence Optics and Classic Mechanic : A Generic Light Polarisation-Entanglement Complémentaire Relation » par Xiao-Feng Qian et Misagh Izadi, 17 août 2023, Recherche sur l’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevResearch.5.033110