近日，一項(xiàng)新的測量方法證實(shí)了 2010 年的發(fā)現(xiàn)：質(zhì)子比之前認(rèn)為的要小。

2013 年用量子顯微鏡拍攝的氫原子電子軌道圖。近十年來，物理學(xué)家們一直試圖用氫原子來解決在質(zhì)子半徑上的相互矛盾的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖|氫原子電子軌道圖（來源：APS/Alan Stonebraker）

多倫多約克大學(xué)的物理學(xué)家們在過去 8 年里精心進(jìn)行了一項(xiàng)敏感的實(shí)驗(yàn)，用來測量質(zhì)子的電荷半徑，希望能解決過去10 年里進(jìn)行的幾次類似實(shí)驗(yàn)得出的相互矛盾的數(shù)值難題。這個(gè)難題被稱為“質(zhì)子半徑之謎”。近日，發(fā)表在 Science 雜志上的一篇新論文證實(shí)了 2010 年的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，即質(zhì)子比科學(xué)家此前認(rèn)為的要小得多。

大多數(shù)關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的討論都依賴于備受詬病的玻爾模型，該模型中電子繞原子核作圓周運(yùn)動(dòng)?？梢哉f，量子力學(xué)是物理學(xué)的敲門磚，但它還給了我們一個(gè)更精確(也更奇怪)的描述。電子并不是繞著原子核轉(zhuǎn)。

從技術(shù)上講，它們是一種波，只是當(dāng)我們做實(shí)驗(yàn)來確定其位置時(shí)，它們具有粒子的性質(zhì)。當(dāng)電子繞原子軌道運(yùn)行時(shí)，它們以粒子和波的狀態(tài)疊加的形式存在，波函數(shù)同時(shí)包含其位置的所有概率。測量會(huì)使波函數(shù)塌縮，從而得到電子的位置。做一系列這樣的測量，并繪制出不同的位置，它將產(chǎn)生模糊的軌道軌跡。

量子物理的奇異性也延伸到了質(zhì)子。從技術(shù)上講，質(zhì)子是由三個(gè)帶電夸克組成的，它們被強(qiáng)大的核力束縛在一起。但它的邊界是模糊的，就像一朵云。我們怎么討論云的半徑呢?物理學(xué)家依靠電荷密度來做到這一點(diǎn)，類似于云中的水分子密度。質(zhì)子半徑是電荷密度降到一定能量閾值以下的邊界到核心的距離?？梢酝ㄟ^研究電子與質(zhì)子之間的相互作用和電子散射實(shí)驗(yàn)，或者利用電子或介子光譜學(xué)來觀察原子能級之間的差異，來測量質(zhì)子半徑。這被稱為“Lamb 轉(zhuǎn)移（ Lamb shift）”，以諾貝爾獎(jiǎng)得主 Wallis Lamb 的名字命名，她于 1947 年首次測量了這種轉(zhuǎn)移。電子和質(zhì)子的混合模糊性意味著電子可以在該區(qū)域的任何地方，包括質(zhì)子內(nèi)部。

氫原子是最簡單的原子，它只有一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)環(huán)繞的電子，所以它就成了物理學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中用來測量質(zhì)子電荷半徑的典型方法。在很長一段時(shí)間內(nèi)，科學(xué)家普遍接受的值是 0.876飛米（1x10^-15m），這是世界上許多不同測量值的“平均值”，而且已經(jīng)考慮了足夠的誤差條件。

圖| Eric Hessels（來源：York University）

早在 2010 年，介子光譜測量就首次挑戰(zhàn)了這個(gè)問題。在他們的實(shí)驗(yàn)中，馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所（Max Planck Institute of Quantum Optics）的物理學(xué)家們使用了介子氫，用一個(gè)介子取代了繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子。由于它比電子重近 200倍，所以它的軌道要小得多，因此它在質(zhì)子內(nèi)部的概率要高得多( 1000 萬倍)。由于它離質(zhì)子更近，這使得這種測量技術(shù)的靈敏度提高了一千萬倍。

這支物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)只是希望他們測量到的質(zhì)子半徑與之前的實(shí)驗(yàn)大致相同，而確定性更高。理論上，電子和介子之間應(yīng)該沒有區(qū)別(除了質(zhì)量和壽命)。然而，他們測量的質(zhì)子半徑明顯小于 0.841 飛米，比它還小 0.00000000000003 毫米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了之前建立的誤差。它與用其他測量方法得到的值相差五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。

“這當(dāng)然為較小的尺寸才是正確的提供了相當(dāng)充分的理由。”

Pohl 等人花了數(shù)年時(shí)間反復(fù)檢查他們的數(shù)據(jù)，因此，如果這是一個(gè)實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤，或者量子電動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)理論( QED，描述光如何與物質(zhì)相互作用)不知何故被誤用了，這都將是一個(gè)嚴(yán)重的錯(cuò)誤。理論家們就需要考慮是否對量子電動(dòng)力學(xué)進(jìn)行調(diào)整，以考慮介子性質(zhì)可能存在的細(xì)微差異。最令人興奮的可能性是：這可能是超越了物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理學(xué)的線索。這一直是最不可能的結(jié)果，在接下來的十年里，這種可能性變得更小了。

隨后各小組的測量結(jié)果都不能確定較大或較小的值是否正確。例如，2013 年，同一個(gè)國際團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了基于介子的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了他們 2010 年的值，測量出質(zhì)子半徑為 0.84 飛米，誤差為 7 西格瑪。2016 年的另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)涉及在氘原子(氫的較重同位素，它有一個(gè)質(zhì)子、一個(gè)中子和一個(gè)電子)中用介子取代電子。當(dāng)時(shí)的想法是，中子的存在將改變電子和介子感知質(zhì)子電荷的方式。這也符合 2010 年的結(jié)果。

然而，使用常規(guī)氫原子來測量質(zhì)子半徑的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)得出了好壞參半的結(jié)果:Theodor Hansch的團(tuán)隊(duì)(團(tuán)隊(duì)里有Pohl) 2017 年的一項(xiàng)研究也證實(shí)了 2010 年的結(jié)果，而 2018 年的一項(xiàng)測量則與 2010 年之前的較大值一致。因此，約克大學(xué)的科學(xué)家們最近選擇了一種基于電子的質(zhì)子半徑測量方法，類似于 2010 年最初的基于介子的測量方法，希望能讓各種相互矛盾的結(jié)果更接近共識(shí)。