著名“魔数”的最精确丈量

在物理学中，有一个十分神秘而重要的基本常数。它是一个“地道”的、没有单位的无量纲常数，大约等于1/137。理查德·费曼曾称它是“一个我们无法了解的‘魔数’”；保罗·狄拉克以为这个数字的来源是“物理学中最基本的未解之谜”。这个数就是精密结构常数（α）。

精密结构常数α约等于1/137，它是自然界中三个基本常数的组合。

这个常数无处不在，它描画了粒子物理的规范模型中基本粒子之间的电磁力的强弱。物理世界中的许多事物都与精密结构常数有关。好比一个氢原子的分离能大约是与电子质量相应的能量的α/2倍；再好比，电子的磁矩约比一个带电的点状粒子的磁矩稍微大1 +α/(2π)倍。能够说，其数值的大小塑造了我们宇宙往常的样子。假如这个数字比1/137再小一点，那么碳就无法在恒星中构成，我们所知的生命就不会存在。

不时以来，物理学家都希望能尽可能精确的丈量精密结构常数的大小。越是精确的结果，越有助于物理学家检验粒子物理学的规范模型中的那组庞大的方程。出往常任何精准丈量之间的差别，都意味着可能存在被规范模型遗漏的粒子或作用力。

近日，由Sada Guellati-Khélifa指导的一组物理学家在《自然》杂志上发表了一篇论文，讲演了他们以万亿分之八十一（81ppt）的精确度丈量了精密结构常数。这是迄今为止对精密结构常数的最精确丈量。他们将常数的值丈量到小数点后第11位，得出的结果为1/137.035999206(11) 。这比由加州大学伯克利分校的物理学家Holger Müller所指导的研讨团队在2018年作出的最佳丈量还要精确2.5倍。

精密结构常数的丈量可经过三个实验步骤完成。首先，研讨人员能够先让原子从一束激光束中吸收光子，并同时发射出光子，这一过程会产生反冲。经过丈量反冲的动能，就能够计算出所用原子的质量——这是在此研讨中最难以精确丈量的量，因而任何能改进这一丈量的措施，都能改进精密结构常数的丈量值。接着，将测得的原子质量与已知的原子-电子质量之比相分离，便能够计算出电子的质量。最后，应用光谱学，研讨人员能够测得氢原子的分离能，将其与电子的质量分离在一同，便能最终计算出精密结构常数的大小。

在这个实验过程中，一个难点就在于第一步骤中的反冲能是十分小的，十分难以丈量。为理处置这个问题，很多科学家会采用经过激光冷却的原子来中止原子干预丈量。

在过去的20多年里，Guellati-Khélifa不时努力于经过改进这种实验措施来取得愈加精确的精密结构常数。2011年，她与她的团队经过运用铷原子，以660ppt的精确度测得了精密结构常数。2018年，Müller团队同样采用原子干预的措施，以200ppt的精确度测得了这一数值，只不外在他们的实验中所采用的不是铷原子，而是铯原子。

往常，在最新的实验中，Guellati-Khélifa再次应用铷原子将这一精确度极限推至了81ppt。

在实验过程中，他们首先将铷原子冷却到接近绝对零度；接着，应用激光脉冲让铷原子处于两种状态的叠加态，一种是没有被光子“踢”的；另一种是被光子“踢”了的。经过向这些铷原子发射更多的激光脉冲，这两种状会重新组合在一同，产生相长干预或相消干预。被光子“踢”到的原子，反冲能就越大，因而与未被光子“踢”到的原子产生相位差。应用丈量这种相差，研讨人员推算了出反冲能的大小，进而计算出铷原子的质量。

令人诧异的是，Guellati-Khélifa团队所测得的最新结果，与Müller团队在2018年所测得的结果存在一点差别，且这一差别大于这两次丈量结果的误差范围。这意味着，除非铷原子和铯原子之间存在某种未知的基本差别会招致这样的局面之外，这两次丈量中至少有一次丈量存在未被解释良好的误差。

目前，两个团队的研讨人员都尚无法对这一误差给出确切的解释。在最新的论文中，作者提及这种研讨丈量结果上的差别可能是由激光散斑（激光强度在小尺度空间上的变更）或电子信号处置过程中产生的相移构成的。接下来，Guellati-Khélifa和Müller团队都决议将进一步地改进实验改进，以试图找到招致这种差别的缘由。

封面图设计：岳岳子

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参考来源：

https://www.nature.com/articles/d41586-020-03314-0

https://www.quantamagazine.org/physicists-measure-the-magic-fine-structure-constant-20201202/

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2964-7