探索宇宙奧秘 · 理性思考

一個長達十余年的物理學懸案可能即將落幕。德國馬克斯·普朗克量子光學研究所的科學家日前宣布，他們將質子半徑的測量精度推向前所未有的高度。這項發(fā)表于《自然》雜志的研究顯示，質子電荷半徑為0.840615飛米。該結果與基于繆氫原子的測量驚人一致，卻與早期部分氫光譜實驗存在偏差。

Lothar Maisenbacher團隊選擇了一條少有人走的路。他們沒有重復傳統(tǒng)的能級躍遷測量，而是瞄準了氫原子從2S到6P的特定躍遷。2S態(tài)壽命較長，為精密測量提供了穩(wěn)定的起點。

研究團隊使用高精度激光光譜技術，測得該躍遷的光子頻率為730,690,248,610.7948千赫茲。這一數(shù)值與標準模型預測僅相差0.0025千赫茲。基于這一極其精確的頻率，他們計算出質子電荷半徑為0.840615飛米（1飛米等于10的負15次方米）。

這一精度比以往基于氫原子能級躍遷的測量結果提高了約2.5倍。更重要的是，它支持了較小的質子半徑值，為長期存在的實驗分歧畫上了有力的句號。

故事要從2010年說起。瑞士保羅謝爾研究所的科學家使用繆子氫原子（用繆子替代電子）測得質子半徑約為0.84087飛米。這一結果比當時主流的氫光譜測量值（約0.8768飛米）小了近4%。

這個4%的差異看似微小，卻動搖了量子電動力學的根基。量子電動力學是標準模型的核心理論，描述了光與物質的基本相互作用。如果質子半徑確實存在爭議，意味著這一理論可能存在瑕疵，或者隱藏著新物理的線索。

此后十余年，全球多個實驗室投入這場精度競賽。國際科技數(shù)據委員會（CODATA）在2019年調整推薦值，將質子半徑定為0.8414飛米，更接近繆氫結果。但分歧并未完全消除，傳統(tǒng)氫原子測量與繆氫測量之間始終存在微妙張力。

在這場國際精度競賽中，中國團隊從未缺席。中國科學技術大學的精密光譜研究團隊長期開展氫、氘原子光譜測量，其數(shù)據為國際推薦值的修訂提供了重要參考。他們開發(fā)的超穩(wěn)激光頻標技術，將光譜測量精度推向新的極限。

中國科學院精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院（位于武漢）的科學家則在高電荷態(tài)離子精密光譜領域取得突破。通過測量高電荷態(tài)氦離子、鋰離子的能級結構，他們獨立檢驗了量子電動力學在強場條件下的適用性。這類實驗與質子半徑測量形成互補，共同構建標準模型的檢驗網絡。

近年來，中國團隊還積極參與國際協(xié)作，在激光冷卻反氫原子、離子阱精密測量等前沿領域貢獻關鍵數(shù)據。這些工作雖然媒體報道較少，但已使中國成為原子精密測量領域不可忽視的力量。

德國團隊的最新成果將標準模型的檢驗精度推進到亞萬億分之一（sub-part-per-trillion）水平。在如此嚴苛的檢驗下，理論預測與實驗結果依然吻合。這意味著，如果存在超越標準模型的新物理，它必須隱藏得更深。

質子半徑的精確測定不僅關乎基礎物理。該參數(shù)影響著里德伯常量（物理學基本常數(shù)之一）的精確值，進而關系到全球定位系統(tǒng)、精密計時等實際應用的校準基準。一個確定的質子半徑，將使整個精密測量體系更加穩(wěn)固。

當然，科學探索不會止步。研究人員已經開始規(guī)劃下一代實驗，包括更精確的繆氫測量和反氫原子光譜。標準模型雖然再次過關，但宇宙中的暗物質、暗能量等謎題依然呼喚著新的物理圖景。只是現(xiàn)在，新理論必須通過更窄的門縫才能進入。

Lothar Maisenbacher et al, Sub-part-per-trillion test of the Standard Model with atomic hydrogen, Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10124-3

Pohl, R., et al. The size of the proton. Nature 466, 213–216 (2010). (關于繆氫原子測量的歷史背景)