Christiaan Huygens, nascido na Holanda , é provavelmente um dos físicos mais famosos dos quais você nunca ouviu falar. Seu trabalho no final do século XVII abrangeu os domínios intangível e tangível do nosso Universo: a natureza da luz e a mecânica dos objetos em movimento.

Entre suas muitas contribuições, Huygens propôs uma teoria ondulatória da luz que daria origem à óptica ondulatória, que trata da interferência, difração e polarização da luz. Ele também inventou o primeiro relógio de pêndulo; o relógio mais preciso em quase 300 anos, durante a Revolução Industrial.

Pouco foi feito sobre as conexões entre esses dois campos aparentemente díspares da óptica e da mecânica clássica – até agora.

Dois físicos do Stevens Institute of Technology, em Nova Jersey, revisitaram o trabalho seminal de Huygens sobre pêndulos, publicado em 1673, e usaram seu teorema mecânico de 350 anos para descobrir algumas novas conexões entre algumas das mais estranhas e mais fundamentais, propriedades da luz.

“Com este primeiro estudo mostramos claramente que, ao aplicar conceitos mecânicos, é possível compreender os sistemas ópticos de uma forma totalmente nova”, diz o físico Xiaofeng Qian.

Qian e seu colega do Instituto Stevens, Misagh Izadi, consideraram duas propriedades da luz em seus cálculos: polarização e uma forma de correlação conhecida como emaranhamento clássico, ou não quântico.

Estas duas propriedades refletem a estranha dualidade da luz que permeia todos os bolsões do nosso Universo. Num sentido quântico, a luz – como todas as formas de matéria – pode ser descrita como ondas que ondulam através do espaço, mas também como partículas discretas localizadas num único ponto.

No entanto, este não é apenas um fenômeno quântico. No mundo clássico das engrenagens, das molas e dos relógios, as ondas de luz sobem e descem como ondulações físicas num oceano intangível, com propriedades ligadas ao seu progresso em constante mudança através do espaço.

“Sabemos há mais de um século que a luz por vezes se comporta como uma onda, e por vezes como uma partícula, mas conciliar essas duas estruturas tem-se revelado extremamente difícil,” disse Qian.

“Nosso trabalho não resolve esse problema – mas mostra que existem conexões profundas entre os conceitos de onda e partícula, não apenas no nível quântico, mas no nível das ondas de luz clássicas e dos sistemas de massa pontual.”

Mais comumente considerado um fenômeno quântico, o emaranhamento simplesmente descreve correlações nas propriedades dos objetos.

Para partículas, podem ser os spins dos elétrons ou o momento ou a posição de um par de fótons. Saber algo sobre uma dessas características para uma partícula lhe diz algo sobre a mesma característica para a outra.

O emaranhamento clássico também descreve certas correlações, mas sem a necessidade de considerar a natureza instável de um objeto antes de sua medição.

A polarização é a propriedade direcional de uma onda de luz oscilando para cima e para baixo, ou para a esquerda e para a direita. Partículas como os fótons, os pacotes de energia que constituem um feixe de luz, também podem ser polarizados.

Se uma onda de luz oscila, assim como um pêndulo, então Qian e Izadi pensaram que poderiam usar a mecânica deste último para descrever as propriedades da primeira.

“Essencialmente, encontramos uma maneira de traduzir um sistema óptico para que pudéssemos visualizá-lo como um sistema mecânico e depois descrevê-lo usando equações físicas bem estabelecidas”, explica Qian.

Normalmente, a mecânica clássica é usada para descrever o movimento de grandes objetos físicos, como pêndulos e planetas. Por exemplo, o teorema dos eixos paralelos de Huygens descreve a relação entre massas e seu momento rotacional.

Qian e Izadi conceberam a luz como um sistema mecânico ao qual o teorema do eixo paralelo de Huygens poderia ser aplicado e descobriram uma conexão “profunda”: o grau de polarização de uma onda de luz estava diretamente relacionado ao grau de uma propriedade recentemente reconhecida chamada entrelaçamento em espaço vetorial.

Os cálculos de Qian e Izadi sugerem que à medida que um sobe, o outro desce, permitindo que o nível de emaranhamento seja inferido diretamente do nível de polarização e vice-versa.

“Em última análise, esta investigação está ajudando a simplificar a forma como entendemos o mundo, permitindo-nos reconhecer as conexões intrínsecas subjacentes entre leis físicas aparentemente não relacionadas”, diz Qian.

O estudo foi publicado na Physical Review Research.

Por Clare Watson
Publicado no ScienceAlert