这篇Science,修正科学史?
Glenn 2020-12-10
氢原子,应该是这个世界上最潇洒的原子了!


它简单到只有一个电子,想怎么运动就怎么运动。它复杂到难倒多位诺贝尔奖得主,一百多年都无法看清它的真面目。

1913年,玻尔(1922年诺贝尔奖得主)对氢原子的光谱进行了理论上的描述。接着,从薛定谔(1933年诺贝尔奖得主),到狄拉克(1933年诺贝尔奖得主),最终是Feynman-Schwinger-Tomonaga(1965年3位诺贝尔奖得主),量子力学等相关理论使氢原子的光谱得到了不断完善。

对于每种状态,氢原子的量子能级结构可以描述为能量E,它取决于量子数n、l和j,并且是三项之和:

E(n,l,j)=EBohrf(mp,me)+ENS(rp,n,l)+EQED(n,l,j)          (1)

其中,EBohr代表玻尔结构,f(mp,me)是涉及质子质量mp和电子质量me的小修正;ENS描述核尺寸效应,EQED代表QED修正。EBohr与里德伯常数R成正比。ENS解释了电子穿透扩展质子的内部区域,它受到不同于通常库伦力的吸引力。

1607584771442316.png
图1 质子电荷半径测量。

氢原子的整个能级结构可以由两个未知数来计算:
1)R,代表所有原子物理和化学的能量尺度;
2)rp,代表质子半径。

那么,问题来了。
质子到底有多大?

十年争议

质子的大小,有两种主流的测量方法:
1)原子光谱测量法:这种方法的原理是,当电子围绕一个小原子核旋转时,可以观察到电子在能级之间的跃迁。利用光谱精确测量各电子能级之间的差距,据此推算rp能级间隔的测量也包括两种不同方式:
1)测量1S-2S的间隔。因为2S的上限存在约1秒钟,不受海森堡测不准原理的影响,达到15位数的精度,是目前最精确的方式。多年来,不同的研究团队测量了从长寿命2S到ns、nP或nD状态(称为Rydberg状态)的跃迁,这些测量在统计上被认为是独立的,通过平均值以获得一组R和rp值。
(2)测量兰姆位移(2S-2P分裂)这种方法最初由兰姆和卢瑟福于1948年提出,后来得到不断改进。

2)电子散射测量法。这种方法的原理是,电子被射向质子,质子的电荷半径由电子被质子反弹或散射后的路径变化决定。尽管这种核物理方法需要对零动量散射矢量进行复杂的外推,但是可以完全独立地确定质子的大小。

2010年之前,科学家通过以上方法测得的质子半径都是0.877 fm。直到2010年,德国马普所原子物理学家Randolf Pohl等人发展了一种改进的原子光谱测量方法。他们通过对μ介子氢(μ介子取代电子)的测量,发现质子半径大约是0.84 fm,比之前的数值小了大约4%,远远超出了它们的误差范围。(注:1 fm=10-15 m)

因为物理学的标准模型假设,μ介子表现出与电子相同的物理性质(轻子普适性),除了质量大207倍,容易发生放射性衰变外,μ介子氢(mH)的能级结构应该可以用公式1计算。质量越重使得μ介子与原子核的重叠越多,这就是为什么在0.84 fm得出了非常精确的rp值。

于是,科学家通过大量实验重新测量了兰姆位移、激发到4P里德堡态、电子-质子散射,所有这些都发现rp的值确实是0.84 fm。

然而,2018年,巴黎索邦大学对1S-3S跃迁的连续波激光实验,却依然得到0.877 fm的质子半径。

科学家感觉要奔溃了!

质子出现了两个不同的值,使基础物理一时陷入危机。长达十年的“质子大小之谜”激发了许多新的实验研究和许多影响深远的假设理论。不少人对轻子普适性原则和物理标准模型的质疑,试图打破经典规则,发现全新的物理。

3.png
图2 历史修正

右边显示的是2010年μ介子氢测量之前质子大小的一致图片。左侧显示当前一致认可的数据,箭头表示历史修正。灰色地带是科学和技术数据委员会(CODATA)2014年和2018年的建议值。

原子氢跃迁的精确测量
解决了质子大小的难题

2019年,多个研究团队分别通过改进的方法1和方法2测量,发现质子半径在0.83 fm左右,与0.84 fm更加吻合。

2020年11月,德国马克斯·普朗克量子光学研究所Alexey Grinin等人利用光频梳诺奖技术进行更精确的直接频率梳激光实验,通过1S-3S跃迁的精确测量,确定质子半径就是0.84 fm,为解决质子大小的争议再一次提供了关键证据。

1607585042326324.png
图3 双光子直接频率梳光谱的原理和实验装置。

结语

科学的一个关键特征在于,科学是可证伪的。科学追求真理,无限接近真理,但阶段性的科学成果始终不能完全代表真理。

质子到底有多大?
或许,还有更多发现的空间!

参考文献:
[1] Alexey Grinin, et al. Two-photon frequency comb spectroscopy of atomic hydrogen, Science, 2020, 370, 6520: 1061-1066.
DOI: 10.1126/science.abc7776
https://science.sciencemag.org/content/370/6520/1061
[2] Wim Ubachs. Crisis and catharsis in atomic physics, Science, 2020, 370, 6520: 1033.
DOI: 10.1126/science.abf0589
https://science.sciencemag.org/content/370/6520/1033

加载更多
1531

版权声明:

1) 本文仅代表原作者观点,不代表本平台立场,请批判性阅读! 2) 本文内容若存在版权问题,请联系我们及时处理。 3) 除特别说明,本文版权归纳米人工作室所有,翻版必究!
纳米人
你好测试
copryright 2016 纳米人 闽ICP备16031428号-1

关注公众号