著名“魔数”的最精确测量

近日,由Sada Guellati-Khélifa领导的一组物理学家在《自然》杂志上发表了一篇论文,报告了他们以万亿分之八十一的精确度测量了精细结构常数。这是迄今为止对精细结构常数的最精确测量。这比由加州大学伯克利分校的物理学家Holger Müller所领导的研究团队在2018年作出的最佳测量还要精确2.5倍。令人惊讶的是,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异,且这一差异大于这两次测量结果的误差范围。

新研究对精细结构常数进行了迄今为止的最精确测量,精确度达万亿分之八十一。本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者: 萌大统领,题图来自:视觉中国

在物理学中,有一个非常神秘而重要的基本常数。它是一个“纯粹”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“一个我们无法理解的‘魔数’”;保罗·狄拉克认为这个数字的起源是“物理学中最基本的未解之谜”。这个数就是精细结构常数(α)

著名“魔数”的最精确测量

精细结构常数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,它描述了粒子物理的标准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细结构常数有关。比如一个氢原子的结合能大约是与电子质量相应的能量的α²/2倍;再比如,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。可以说,其数值的大小塑造了我们宇宙现在的样子。如果这个数字比1/137再小一点,那么碳就无法在恒星中形成,我们所知的生命就不会存在。

一直以来,物理学家都希望能尽可能精确的测量精细结构常数的大小。越是精确的结果,越有助于物理学家检验粒子物理学的标准模型中的那组宏大的方程。出现在任何精准测量之间的差异,都意味着可能存在被标准模型遗漏的粒子或作用力。

近日,由Saïda Guellati-Khélifa领导的一组物理学家在《自然》杂志上发表了一篇论文,报告了他们以万亿分之八十一(81ppt)的精确度测量了精细结构常数。这是迄今为止对精细结构常数的最精确测量。他们将常数的值测量到小数点后第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所领导的研究团队在2018年作出的最佳测量还要精确2.5倍

精细结构常数的测量可通过三个实验步骤实现。首先,研究人员可以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。通过测量反冲的动能,就可以计算出所用原子的质量——这是在此研究中最难以精确测量的量,因此任何能改进这一测量的方法,都能改进精细结构常数的测量值。接着,将测得的原子质量与已知的原子—电子质量之比相结合,便可以计算出电子的质量。最后,利用光谱学,研究人员可以测得氢原子的结合能,将其与电子的质量结合在一起,便能最终计算出精细结构常数的大小。

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非常小的,十分难以测量。为了解决这个问题,很多科学家会采用通过激光冷却的原子来进行原子干涉测量。

在过去的20多年里,Guellati-Khélifa一直致力于通过改进这种实验方法来获得更加精确的精细结构常数。2011年,她与她的团队通过使用铷原子,以660ppt的精确度测得了精细结构常数。2018年,Müller团队同样采用原子干涉的方法,以200ppt的精确度测得了这一数值,只不过在他们的实验中所采用的不是铷原子,而是铯原子

现在,在最新的实验中,Guellati-Khélifa再次利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,利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。通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起,产生相长干涉或相消干涉。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。利用测量这种相差,研究人员推算了出反冲能的大小,进而计算出铷原子的质量。 

令人惊讶的是,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异,且这一差异大于这两次测量结果的误差范围。这意味着,除非铷原子和铯原子之间存在某种未知的根本差异会导致这样的局面之外,这两次测量中至少有一次测量存在未被解释良好的误差。

目前,两个团队的研究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,作者提及这种研究测量结果上的差异可能是由激光散斑(激光强度在小尺度空间上的变化)或电子信号处理过程中产生的相移造成的。接下来,Guellati-Khélifa和Müller团队都决定将进一步地改进实验改进,以试图找到导致这种差异的原因。

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

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者: 萌大统领

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