La mecánica clásica y la cuántica no solo son amigas, a veces forman pareja

Un teorema del siglo XVII ha desvelado por primera vez que la mecánica clásica y la cuántica no solo se complementan, sino que también interactúan entre ellas: las ecuaciones del péndulo de Huygens muestran una relación entre polarización de la luz y el entrelazamiento cuántico que ilumina incluso nuestra visión del mundo.

La mecánica clásica y la mecánica cuántica son dos teorías de la física que describen el comportamiento de la materia y la energía.

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La mecánica clásica es una teoría bien establecida que ha sido ampliamente verificada en un amplio rango de fenómenos, desde el movimiento de los planetas hasta el comportamiento de los objetos cotidianos.

La mecánica cuántica, por otro lado, es una teoría más reciente que describe el comportamiento de la materia y la energía a nivel atómico y subatómico.

La mecánica clásica y la mecánica cuántica son muy diferentes en algunos aspectos. La mecánica clásica describe la materia y la energía como partículas, mientras que la mecánica cuántica describe la materia y la energía como ondas.

La mecánica clásica también asume que el estado de un sistema físico puede conocerse con precisión, mientras que la mecánica cuántica asume que el estado de un sistema físico es probabilístico.

Complementarias

A pesar de sus diferencias, la mecánica clásica y la mecánica cuántica se complementan entre sí. La mecánica clásica es una teoría efectiva para describir el comportamiento de los sistemas a gran escala, mientras que la mecánica cuántica es una teoría efectiva para describir el comportamiento de los sistemas a pequeña escala.

A lo largo de la historia de la ciencia se han producido muchos encuentros, teóricos y experimentales, entre la mecánica clásica y la mecánica cuántica que han puesto de manifiesto su complementariedad. El efecto fotoeléctrico, por ejemplo, no se puede entender completamente si no se analiza con ambas perspectivas físicas.

Hay más historias de encuentros mutuamente satisfactorios que han tenido lugar entre la mecánica clásica y la mecánica cuántica: ayudan a comprender mejor las dos teorías y sus limitaciones.

Mucho más que amigas

Una nueva investigación publicada en Physical Review Research ha venido a poner de manifiesto ahora que ambas teorías tienen una relación mucho más rica entre ellas. No solo son amigas, sino que a veces incluso forman pareja.

Este nuevo encuentro entre la física mecánica y la cuántica se basa en un teorema de 350 años de antigüedad formulado por el físico neerlandés Christiaan Huygens para explicar el movimiento de los péndulos: su teorema describe cómo la energía necesaria para girar un objeto depende de su masa y de su eje de rotación.

Físicos del Instituto Tecnológico Stevens de Nueva Jersey han utilizado ahora el teorema de Huygens para descubrir una peculiaridad de la naturaleza cuántica de la luz y establecido que la polarización y el entrelazamiento de una onda de luz están relacionados mediante una fórmula específica.

Dicho con otras palabras, la ecuación de Huygens-Steiner es adecuada para describir con más detalle las propiedades clave de la luz. O lo que es lo mismo: esta investigación ha conseguido considerar un sistema óptico como si fuera mecánico y luego lo han descrito mediante ecuaciones físicas.

Derivada interesante

"Esto es algo que no se había demostrado antes, pero que queda muy claro una vez que se transfieren las propiedades de la luz al sistema mecánico. Con la ayuda de las ecuaciones mecánicas, lo abstracto de repente se vuelve concreto, explica Xiaofeng Qian, primer autor de esta investigación, en un comunicado.

Esta conexión recién descubierta entre la luz y la mecánica indica que la polarización de la luz y el entrelazamiento cuántico son complementarios. Cuando aumenta el grado de polarización de un haz de luz, disminuye el entrelazamiento de fotones presentes en ese haz de luz, y viceversa.

Para comprender el alcance de este descubrimiento hay que recordar que la polarización de la luz es un fenómeno tanto clásico como cuántico, dependiendo de la escala a la que se observe la luz: se puede modelar como onda electromagnética con un campo eléctrico oscilante, o sencillamente como un fotón o partícula de luz.

También que el entrelazamiento es una propiedad exclusiva de la mecánica cuántica que permite que dos partículas estén conectadas de manera que sus propiedades estén correlacionadas, incluso cuando están separadas por grandes distancias.

La nueva investigación ha establecido ahora que el grado de entrelazamiento de una onda de luz está directamente relacionado con su grado de polarización. Dos procesos de universos paralelos se vuelven tangenciales.

Aplicaciones

Desde el punto de vista práctico, el nuevo descubrimiento significa que propiedades ópticas difíciles de medir, como amplitudes, fases y correlaciones (quizás incluso las de los sistemas de ondas cuánticas) pueden deducirse de algo mucho más fácil de medir: la intensidad de la luz, enfatizan los investigadores.

También indica que es posible comprender los sistemas ópticos de una forma completamente nueva aplicando conceptos mecánicos.

Los resultados obtenidos en esta investigación podrían facilitar también la exploración de sistemas cuánticos complejos, así como determinar otras características de la luz y de otros sistemas onda-partícula, mediante analogías mecánicas, según los protagonistas de este trabajo.

¿Y nuestra visión del mundo?

Visto en perspectiva histórica, esta investigación va mucho más allá: pone de manifiesto que las dos disciplinas, aparentemente irreconciliables, tienen muchas más cosas en común de lo que se había observado.

Resulta que no solo se complementan, sino que también interactúan entre ellas en el interior de un haz de luz, un descubrimiento lleno de interrogantes acerca de lo que puede significar para comprender mejor lo que llamamos nuestra visión del mundo.

Por sorprendente que parezca, la nueva investigación sugiere que nuestra percepción visual oscila también, como un péndulo de Huygens, entre lo mecánico y lo cuántico porque se basa en la luz: ver una flor, por ejemplo, sería un proceso que se hace posible gracias a la interacción de la mecánica clásica con la mecánica cuántica. Increíble.

Referencia

Bridging coherence optics and classical mechanics: A generic light polarization-entanglement complementary relation. Xiao-Feng Qian and Misagh Izadi. Phys. Rev. Research 5, 033110; 17 August 2023. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.5.033110