Fa­sicos do Instituto Max Planck de a“ptica Qua¢ntica testaram a meca¢nica qua¢ntica em umnívelcompletamente novo de precisão usando espectroscopia de hidrogaªnio e, ao fazer isso, chegaram muito mais perto de resolver o conhecido quebra-cabea§a do raio de carga do pra³ton.

Cientistas do Instituto Max Planck de a“ptica Qua¢ntica (MPQ) conseguiram testar a eletrodina¢mica qua¢ntica com uma precisão sem precedentes de 13 casas decimais. A nova medição équase duas vezes mais precisa do que todas as medições anteriores de hidrogaªnio combinadas e leva a ciência um passo mais perto de resolver o quebra-cabea§a do tamanho do pra³ton. Essa alta precisão foi alcana§ada pela técnica do pente de frequência ganhadora do Praªmio Nobel, que estreou aqui pela primeira vez para excitar a¡tomos em espectroscopia de alta resolução. Os resultados são publicados hoje na Science .

A física éconsiderada uma ciência exata. Isso significa que as previsaµes das teorias físicas - números exatos - podem ser verificadas ou falsificadas por experimentos. O experimento éo maior juiz de qualquer teoria. A eletrodina¢mica qua¢ntica, a versão relativa­stica da meca¢nica qua¢ntica, ésem daºvida a teoria mais bem-sucedida atéhoje. Ele permite que ca¡lculos extremamente precisos sejam realizados, por exemplo, a descrição do espectro do hidrogaªnio ata´mico com 12 casas decimais. O hidrogaªnio éo elemento mais comum no universo e ao mesmo tempo o mais simples com apenas um elanãtron. E ainda, ele hospeda um mistério ainda desconhecido.  

O elanãtron no a¡tomo de hidrogaªnio "percebe" o tamanho do pra³ton, que se reflete emmudanças ma­nimas nos na­veis de energia. Por muitas décadas, inconta¡veis ​​medições do hidrogaªnio produziram um raio de pra³ton consistente. Mas as investigações espectrosca³picas do chamado hidrogaªnio mua´nico, em que o elanãtron foi substitua­do por seu gaªmeo 200 vezes mais pesado - o maºon - revelaram um mistanãrio. As medições foram realizadas em 2010 em colaboração com Randolf Pohl, então lider do grupo de Espectroscopia a Laser do Prof. Ha¤nsch (MPQ) e agora professor da Universidade Johannes Gutenberg em Mainz. O valor para o raio do pra³ton que pode ser derivado desses experimentos équatro por cento menor do que o do hidrogaªnio comum. Se todos os experimentos forem considerados corretos, surge uma contradição com a teoria da eletrodina¢mica qua¢ntica, pois todas as medições no hidrogaªnio mua´nico e comum devem relatar o mesmo raio do pra³ton, quando todos os termos teóricos estãocorretos. Em conseqa¼aªncia, esse "quebra-cabea§a do raio do pra³ton" motivou novas medições de precisão em todo o mundo. No entanto, enquanto novas medições de Garching e Toronto confirmaram o menor raio do pra³ton, uma medição de Paris novamente apoiou o valor anterior maior.

A ciência prospera em comparações independentes. a‰ por isso que a equipe de Garching liderada por Alexey Grinin, Arthur Matveev e Thomas Udem do Departamento de Espectroscopia a Laser de Theodor Ha¤nsch queria medir a mesma transição de Paris usando um manãtodo completamente diferente e, portanto, complementar. Usando a chamada espectroscopia em pente de freqa¼aªncia de dois fa³tons livre de Doppler, eles agora conseguiram melhorar a precisão por um fator de quatro. O resultado para o raio do pra³ton era agora duas vezes mais preciso do que todas as medições anteriores do hidrogaªnio juntas. a‰ a primeira vez que a meca¢nica qua¢ntica éverificada atéa danãcima terceira casa decimal. O valor para o raio do pra³ton determinado desta forma confirma o menor raio do pra³ton e, portanto, exclui a teoria como causa. Porque para a mesma transição, os resultados experimentais devem concordar, independentemente da teoria. A figura a seguir (fig. 1) mostra a situação atual.

Avaliações sobre a validade da eletrodina¢mica qua¢ntica são possa­veis apenas com várias medições independentes sendo comparadas. Se a teoria e sua aplicação forem verdadeiras, e todos os experimentos forem conduzidos corretamente, os valores do raio do pra³ton devem concordar uns com os outros dentro dos limites da incerteza experimental. Mas não éesse o caso, como podemos ver na foto. A revelação dessa discrepa¢ncia - o quebra-cabea§a do pra³ton - abriu a possibilidade de que a eletrodina¢mica qua¢ntica, a teoria física mais precisa, pode estar carregando uma falha fundamental. O novo resultado, entretanto, sugere que o problema éde natureza experimental e não fundamental. E a eletrodina¢mica qua¢ntica teria tido sucesso mais uma vez.

A luz laser azul (410nm) égerada como o segundo harma´nico de um tita¢nio pulsado: laser de safira que utiliza um cristal não linear.

O sucesso da espectroscopia de pente de frequência realizada neste projeto também significa um marco importante na ciência por outro motivo. A espectroscopia de precisão em hidrogaªnio e outros a¡tomos e moléculas tem sido realizada quase exclusivamente com lasers de onda conta­nua. Em contraste, o pente de frequência égerado por um laser pulsado. Com esses lasers, épossí­vel penetrar em comprimentos de onda muito mais curtos atéa faixa ultravioleta extrema. Com lasers de ondas conta­nuas, isso parece um esfora§o impossí­vel. aons altamente interessantes, como o a­on hanãlio semelhante ao hidrogaªnio, tem suas transições nessa faixa espectral, mas mesmo mais de 100 anos após o desenvolvimento da primeira teoria qua¢ntica, eles não podem ser estudados com precisão, ou seja, com luz laser. O experimento agora apresentado éuma etapa essencial para mudar essa situação insatisfata³ria. Além disso, espera-se que esses pentes de frequência ultravioleta permitam que elementos importantes biológica e quimicamente, como hidrogaªnio e carbono, sejam resfriados diretamente por laser, permitindo que a ciência os estude com precisão ainda maior.