马克斯·普朗克学会凯瑟琳娜·贾拉著 阿列克谢·格林和德里·塔雷正在研究1S-3S实验的真空系统
信用:马克斯·普朗克学会 马克斯·普朗克量子光学研究所的物理学家利用氢光谱将量子力学测试到了一个全新的精度水平，这样他们就更接近于解决众所周知的质子电荷半径难题
马克斯·普朗克量子光学研究所(MPQ)的科学家成功地测试了量子电动力学，精确度达到了前所未有的小数点后13位
新的测量结果几乎是以前所有氢测量结果总和的两倍，这使得科学离解决质子尺寸难题又近了一步
这种高精度是由诺贝尔奖得主的频率梳技术实现的，该技术首次在这里亮相，用于在高分辨率光谱学中激发原子
结果发表在今天的《科学》杂志上
据说物理学是一门精确的科学
这意味着物理理论的预测——确切的数字——可以通过实验来验证或证伪
实验是任何理论的最高评判
量子电动力学，量子力学的相对论版本，无疑是迄今为止最成功的理论
它允许进行极其精确的计算，例如，将氢原子的光谱描述到小数点后12位
氢是宇宙中最常见的元素，同时也是最简单的只有一个电子的元素
尽管如此，它仍然承载着一个未知的谜
质子大小之谜 氢原子中的电子“感知”质子的大小，这反映在能级的微小移动上
几十年来，对氢的无数次测量产生了一致的质子半径
但是对所谓的μ子氢的光谱研究揭示了一个谜，在这种氢中，电子被其重200倍的孪生兄弟μ子所取代
这些测量是在2010年与兰道尔夫·波尔合作进行的，当时兰道尔夫·波尔是哈佛大学激光光谱学系的组长
汉斯(MPQ)，现任美因茨约翰内斯·古腾堡大学教授
从这些实验中得到的质子半径值比普通氢的小4%
如果所有的实验都被认为是正确的，那么量子电动力学的理论就会出现矛盾，因为当所有的理论术语都是正确的时候，μ子和普通氢的所有测量都必须报告相同的质子半径
因此，这个“质子半径难题”激发了全世界新的精确测量
然而，虽然来自加青和多伦多的新测量证实了较小的质子半径，但来自巴黎的测量再次支持了先前的较大值
在这个图中，质子半径的不同结果在飞秒[fm]，I
e
m
普通氢中1S-3S跃迁的新值更接近于μ子氢中2S-2P跃迁的值
虽然这种奇异的原子只能在百万分之二秒的短时间内产生，但它对质子半径特别“敏感”
因此，它具有最小的测量误差(水平黑色误差线)
信用:马克斯·普朗克学会 比较测量值 科学因独立比较而繁荣
这就是为什么由阿列克谢·格林、亚瑟·马特维耶夫和托马斯·乌德姆领导的来自西奥多·汉斯激光光谱学部门的加青团队想要使用一种完全不同的互补方法来测量与巴黎相同的跃迁
使用所谓的无多普勒双光子频率梳光谱学，他们现在已经成功地将精确度提高了4倍
质子半径的结果现在是以前所有氢测量结果的两倍
这是量子力学第一次被检查到小数点后第十三位
以这种方式确定的质子半径值证实了较小的质子半径，因此排除了该理论的原因
因为对于同样的跃迁，实验结果必须一致，不管理论如何
下图(图
1)显示当前情况
对量子电动力学有效性的评估只有通过几个独立的测量进行比较才有可能
如果理论及其应用成立，并且所有实验都正确进行，则质子半径的值必须在实验不确定性的范围内彼此一致
但事实并非如此，正如我们在图片中看到的
这种差异的揭示——质子之谜——揭示了量子电动力学这一最精确的物理理论可能存在根本性缺陷的可能性
然而，新的结果表明，这个问题是实验性的，而不是根本性的
量子电动力学会再次成功
频率梳光谱学的新里程碑 蓝色激光(410纳米)是利用非线性晶体的脉冲钛宝石激光器的二次谐波
在这个项目中进行的频率梳光谱学的成功也意味着一个重要的科学里程碑
迄今为止，氢和其他原子和分子的精确光谱学几乎完全是用连续波激光来完成的
相反，频率梳是由脉冲激光产生的
使用这种激光器，有可能穿透到远至极紫外范围的短得多的波长
对于连续波激光，这似乎是一个无望的努力
非常有趣的离子，如类氢氦离子，在这个光谱范围内有它们的跃迁，但是即使在第一个量子理论发展100多年后，它们也不能被精确地研究，这意味着用激光
现在提出的实验是改变这种不令人满意的状况的重要一步
此外，人们希望这些紫外频率梳能够让氢和碳等生物和化学上重要的元素直接被激光冷却，使科学能够以更高的精度研究它们
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
