Depuis le 17ème siècle, quand Isaac Newton et Christiaan Huygens ont débattu pour la première fois de la nature de la lumière, les scientifiques se demandent si la lumière est mieux considérée comme une onde ou une particule – ou peut-être, au niveau quantique, même les deux à la fois. Maintenant, 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 des pendules et des planètes – pour expliquer certains des plus comportements complexes des ondes lumineuses.
Les travaux, dirigés par Xiaofeng Qian, professeur adjoint de physique à Stevens et rapportés dans le numéro en ligne du 17 août de Recherche d’examen physique, prouve également pour la première fois que le degré d’intrication non quantique d’une onde lumineuse existe en relation directe et complémentaire avec son degré de polarisation. Lorsque l’un monte, l’autre descend, ce qui permet de déduire directement le niveau d’intrication du niveau de polarisation, et inversement. 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.
« Nous savons depuis plus d’un siècle que la lumière se comporte parfois comme une onde, et 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’onde et de particule, non seulement au niveau quantique, mais au niveau des ondes lumineuses classiques et des systèmes de masse ponctuelle. »
L’équipe de Qian a utilisé un théorème mécanique, développé à l’origine 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 des systèmes physiques comme les horloges ou les membres prothétiques », a expliqué Qian. « Mais nous avons pu montrer qu’il 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, alors comment pourrait-il être appliqué à la lumière 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 de le décrire à l’aide d’équations physiques bien établies », a expliqué Qian.
Une fois que l’équipe a visualisé une onde lumineuse dans le cadre d’un système mécanique, de nouvelles connexions entre les propriétés de l’onde sont immédiatement apparues, notamment le fait que l’enchevêtrement et la polarisation étaient clairement liés l’un à l’autre.
« C’était quelque chose qui n’avait pas été montré auparavant, mais cela devient très clair une fois que vous avez cartographié les propriétés de la lumière sur un système mécanique », a déclaré Qian. « Ce qui était autrefois abstrait devient concret : en utilisant des équations mécaniques, vous pouvez littéralement mesurer la distance entre le ‘centre de masse’ et d’autres points mécaniques pour montrer comment différentes propriétés de la lumière sont liées les unes aux autres. »
La clarification de ces relations pourrait avoir des implications pratiques importantes, permettant de déduire des 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. Plus spéculativement, les découvertes 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 sous-jacents intrinsèques entre des lois physiques apparemment sans rapport. »
Plus d’information:
Xiao-Feng Qian et al, Combler l’optique de cohérence et la mécanique classique: une relation complémentaire générique polarisation-enchevêtrement de la lumière, Recherche d’examen physique (2023). DOI : 10.1103/PhysRevResearch.5.033110