Este ano, o Prémio Nobel da Física é atribuído a três cientistas que se distinguiram no campo da Óptica.

Roy J. Glauber (Universidade de Harvard, EUA) ganhou metade do Prémio pela sua descrição teórica do comportamento das partículas de luz, que contribuiu para a Teoria Quântica da Coerência Óptica.

John L. Hall (Universidade do Colorado e Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, EUA) e Theodor W. Hänsch (Instituto Max-Planck para a Óptica Quântica, Alemanha) partilham a outra metade do Prémio, por terem desenvolvido a espectroscopia laser de alta resolução, em particular, a técnica do pente de frequências ópticas.

A luz é o exemplo mais pertinente da dualidade da natureza dos objectos quânticos, exibindo propriedades ondulatórias e propriedades corpusculares, cada qual emergindo dentro de limites exclusivos. Torna-se necessário conciliar as duas descrições através de uma teoria macroscópica, que explique as propriedades das ondas, e uma teoria microscópica, que explique a interacção entre os fotões e o material que os absorve. A primeira é dada pela Teoria do Electromagnetismo de Maxwell e a segunda pela Electrodinâmica Quântica.

Roy Glauber lançou as bases da Óptica Quântica ao formular a Teoria Quântica no campo da Óptica. Em 1963, ele desenvolveu um método que utiliza a quantização electromagnética para descrever a absorção de um fotão num detector - a detecção fotoeléctrica. Este método permitiu explicar a diferença entre o comportamento das fontes térmicas de luz, que possuem uma mistura de frequências e fases, e o das fontes coerentes, tais como os lasers e os amplificadores quânticos, que possuem um frequência e fase específica. A sua teoria previa certos fenómenos, como o bunching entre fotões, que não era possível explicar classicamente.

A Óptica Quântica veio estabelecer um limite à precisão das observações ópticas. Em medições de frequências de alta resolução, amplificadores quânticos e frequências padrão, é a natureza quântica da luz que impõe o último limite à precisão das medições. O nosso conhecimento dos estados quânticos também pode ser utilizado directamente, por exemplo para a encriptação de mensagens em tecnologias de comunicação e processamento de informação.

John Hall e Theodor Hänsch desenvolveram a espectroscopia laser de alta resolução. A espectroscopia é essencial para o estudo da estrutura da matéria e quanto maior a resolução espectroscópica, maior o nosso conhecimento da estrutura fina dos átomos e das propriedades do núcleo atómico. A técnica do pente de frequências ópticas desenvolvida por estes cientistas é particularmente importante.

A espectroscopia laser foi fundamental na determinação exacta da unidade de comprimento, o metro. Em 1960, a definição baseada na vara guardada em Paris foi abandonada a favor de uma definição baseada no átomo e pouco tempo depois, também se introduziu uma definição da unidade de tempo, o segundo, baseada no átomo. Estas definições tornaram possível determinar a velocidade da luz como um produto de comprimento de onda e frequência.

John Hall foi um dos líderes nos esforços realizados para medir a velocidade da luz utilizando lasers com uma frequência altamente estável. Em 1983, a velocidade da luz foi definida como sendo exactamente 299 792 459 m/s, com erro zero. Como consequência, o metro é a distância percorrida pela luz em 1/299 792 459 s. Para encontrar o comprimento de onda da frequência de uma fonte laser estabilizada expressa na unidade do metro, deve–se medir a sua frequência e dividir o valor da velocidade da luz pelo valor medido. Acontece que, na altura, não era possível medir frequências ópticas superiores a 10¹⁵ Hz. Tornou-se essencial descobrir um método de medição de frequências ópticas com precisão. Jonh Hall e Theodor Hänsch contribuíram para ultrapassar esta dificuldade ao desenvolverem a técnica do pente de frequências ópticas que permite medir com grande precisão a frequência de um laser.

O desenvolvimento deste campo da ciência tem inúmeras aplicações. Do ponto de vista teórico, permite testar, cada vez com maior precisão, as teorias fundamentais relativamente a efeitos relativistas e eventuais variações nas constantes fundamentais. As medições de grande precisão tornam os sistemas de navegação por satélite (GPS) mais exactos e será essencial para a navegação no espaço em viagens de longo curso, e para redes de telescópios espaciais, que por exemplo, procurem ondas gravitacionais. Quando se conseguir estudar experimentalmente o anti-hidrogénio, por exemplo, a espectroscopia de alta resolução será fundamental para o estudo da relação entre matéria e antimatéria.

Fonte da notícia: http://nobelprize.org/physics/laureates/2005/press.html