Constante fundamental do Universo emerge no quantum de um ângulo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/12/2022

Uma fonte de luz (à esquerda) envia um feixe de luz através de um material especial, que muda a direção da polarização - por um ângulo que é exatamente a constante de estrutura fina.
[Imagem: Tatiana Lysenko/TU Wien]

Constante de estrutura fina

O número $1/137$ é um dos mais importantes da física: Ele corresponde ao valor aproximado da chamada constante de estrutura fina, uma quantidade essencial na física atômica e de partículas.

Expressa como α (letra grega alfa), a constante de estrutura fina descreve a força da interação eletromagnética, indicando o quão fortemente as partículas com carga, como os elétrons, reagem aos campos eletromagnéticos. Se a constante de estrutura fina tivesse um valor diferente, nosso Universo pareceria completamente diferente - os átomos teriam tamanhos diferentes, então toda a química funcionaria de maneira diferente, e a fusão nuclear nas estrelas também seria completamente diferente.

Os físicos sempre discutiram se α é realmente constante ou se ela poderia ter mudado um pouco seu valor ao longo de bilhões de anos.

Existem muitas maneiras de medir a constante de estrutura fina, mas ela sempre é medida indiretamente, medindo outras grandezas físicas e usando-as para calcular α - seu valor exato é $1/137.035999206$.

"As constantes físicas mais importantes têm uma unidade específica - por exemplo, a velocidade da luz, que pode ser dada na unidade de metros por segundo," explica o professor Andrei Pimenov, da Universidade Tecnológica de Viena, na Áustria. "É diferente com a constante de estrutura fina. Ela não tem unidade, é simplesmente um número - é adimensional."

Medição direta da constante de estrutura fina

Recentemente, uma equipe internacional fez a medição mais precisa da constante de estrutura fina usando uma abordagem cosmológica, para testar se α tem o mesmo valor em diferentes lugares da nossa galáxia.

Agora, a equipe do professor Pimenov idealizou uma nova forma de medir a enigmática constante e, pela primeira vez, fazer isso de modo direto.

Em vez de se basear em outras grandezas, a equipe idealizou um método de medir α usando ângulos. "Em nosso experimento a própria constante de estrutura fina torna-se diretamente visível," disse Pimenov.

Veja a medição mais precisa desta "constante mágica" do Universo.
[Imagem: Cladé/Guellati-Khélifa/Aoyama]

Quantum de rotação

O experimento começa com um feixe de laser linearmente polarizado - a luz oscila exatamente na direção vertical.

O feixe de laser atinge uma camada de um material especial com apenas alguns nanômetros de espessura. Esse material tem a propriedade de mudar a direção de polarização da luz.

"Um material girando a polarização de um feixe de laser não é, por si só, nada incomum, diferentes materiais podem fazer isso; quanto mais espessa a camada do material, mais a polarização do laser é girada. Mas estamos lidando com um efeito completamente diferente aqui. No nosso caso, a polarização não gira continuamente - ela salta," explicou Pimenov.

E não é um salto qualquer: Ao passar pelo filme fino, a direção de polarização da luz realiza um salto quântico: Depois de passar, a onda de luz oscila em uma direção diferente da anterior.

E, quando se calcula o tamanho desse salto, surge um resultado surpreendente: O quantum dessa mudança angular é exatamente a constante da estrutura fina. "Assim, temos acesso direto a algo bastante incomum: um quantum de rotação," disse Pimenov. "A constante de estrutura fina torna-se imediatamente visível como um ângulo."

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