350

Valéry Brojinski/iStock

En vous abonnant, vous acceptez nos conditions d'utilisation et nos politiques. Vous pouvez vous désinscrire à tout moment.

En 1673, Christiaan Huygens écrivit un livre sur les pendules et leur fonctionnement. Un théorème mécanique mentionné dans le livre a été utilisé 350 ans plus tard par des chercheurs de l'Institut de technologie Stevens pour expliquer les comportements complexes de la lumière, selon un communiqué de l'université.

Bien que connue depuis des lustres, l’humanité a du mal à expliquer la nature même de la lumière. Pendant des siècles, les scientifiques ont été divisés sur la question de savoir s'il fallait l'appeler une onde ou une particule et lorsqu'il semblait y avoir un certain accord sur ce que la lumière pourrait réellement être, la physique quantique a lancé une nouvelle courbe en suggérant qu'elle existait sous les deux formes à la fois.

Les chercheurs qui travaillaient auparavant pour réfuter les affirmations de la faction opposée passent maintenant du temps à expliquer comment la lumière affiche simultanément les propriétés des ondes et des particules.

Pour ce faire, une équipe dirigée par Xiaofeng Qian, professeur de physique au Stevens Institute of Technology, s'est tournée vers un théorème mécanique vieux de 350 ans qui explique le fonctionnement d'objets comme les pendules.

Huygens a proposé que la lumière se propage sous forme d'ondes à travers l'univers entier. Mais le physicien néerlandais a également expliqué comment l'énergie nécessaire pour faire tourner un objet dépendait de sa masse et de l'axe autour duquel il fallait le faire tourner.

Ce théorème mécanique pourrait être utilisé pour expliquer le mouvement d'objets tels que des pendules ainsi que des planètes.

Appliquer cela à la lumière présentait cependant un obstacle. Le théorème utilise la masse des objets et la lumière n’a pas de masse. L’équipe de Qian a donc utilisé l’intensité de la lumière comme équivalent à la masse des objets physiques. Il est alors devenu possible de cartographier les mesures sur un système de coordonnées pour interpréter le théorème de Huygens, ajoute le communiqué.

Cela a permis à l'équipe de visualiser la lumière comme faisant partie d'un système mécanique et les liens entre les propriétés des ondes telles que l'intrication et la polarisation sont devenus plus clairs, ont déclaré les chercheurs.

Concilier les deux écoles de pensée sur la question de savoir si la lumière est une onde ou une particule a été particulièrement difficile. Même si la nouvelle recherche ne résout pas ce problème, elle démontre qu’il existe des liens entre ces deux cadres, qui n’existent pas seulement au niveau quantique mais aussi au niveau de la physique classique, où l’on a affaire à des ondes et à des systèmes ponctuels-massiques.

inkoly/iStock

« 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 », a déclaré Qian dans le communiqué.

Une étude plus approfondie de ces relations peut aider les scientifiques à évaluer les propriétés non seulement des systèmes optiques difficiles à mesurer, mais également des systèmes quantiques. Les déductions pour ces systèmes peuvent désormais s'effectuer à l'aide de mesures de lumière qui sont non seulement beaucoup plus simples à réaliser mais également plus robustes du point de vue de la collecte de données.

En outre, les chercheurs pourraient également appliquer le même système pour explorer les comportements complexes observés dans les systèmes d’ondes quantiques. "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", a ajouté Qian.

Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue Physical Review Research.

Abstrait

Si l’optique et la mécanique sont deux branches distinctes de la physique, elles sont liées. Il est bien connu que le traitement géométrique/rayonnel de la lumière présente des analogies directes avec les descriptions mécaniques du mouvement des particules. Cependant, les liens entre l’optique des ondes de cohérence et la mécanique classique sont rarement rapportés. Nous rapportons ici les liens entre les deux à travers une analyse quantitative systématique de la polarisation et de l'intrication, deux propriétés de cohérence optique dans le cadre de la description ondulatoire de la lumière lancée par Huygens et Fresnel. Une relation d'identité complémentaire générique est obtenue pour des champs lumineux arbitraires. Plus surprenant, grâce au système de coordonnées barycentriques, la polarisation optique, l'intrication et leur relation d'identité se révèlent quantitativement associées aux concepts mécaniques de centre de masse et de moment d'inertie via le théorème de Huygens-Steiner pour la rotation d'un corps rigide. Le résultat obtenu fait le pont entre l'optique des ondes de cohérence et la mécanique classique à travers les deux théories de Huygens.