2020-12-14 11:15 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務
一直以來，物理學家都希望能儘可能精確的測量精細結構常數的大小。越是精確的結果，越有助於物理學家檢驗粒子物理學的標準模型中的那組宏大的方程。
在物理學中，有一個非常神秘而重要的基本常數。它是一個「純粹」的、沒有單位的無量綱常數，大約等於1/137。理察·費曼曾稱它是「一個我們無法理解的『魔數』」；保羅·狄拉克認為這個數字的起源是「物理學中最基本的未解之謎」。這個數就是精細結構常數（α）。
精細結構常數α約等於1/137，它是自然界中三個基本常數的組合。
這個常數無處不在，它描述了粒子物理的標準模型中基本粒子之間的電磁力的強弱。物理世界中的許多事物都與精細結構常數有關。比如一個氫原子的結合能大約是與電子質量相應的能量的α²/2倍；再比如，電子的磁矩約比一個帶電的點狀粒子的磁矩稍微大1 +α/(2π)倍。可以說，其數值的大小塑造了我們宇宙現在的樣子。如果這個數字比1/137再小一點，那麼碳就無法在恆星中形成，我們所知的生命就不會存在。
一直以來，物理學家都希望能儘可能精確的測量精細結構常數的大小。越是精確的結果，越有助於物理學家檢驗粒子物理學的標準模型中的那組宏大的方程。出現在任何精準測量之間的差異，都意味著可能存在被標準模型遺漏的粒子或作用力。
近日，由Saïda Guellati-Khélifa領導的一組物理學家在《自然》雜誌上發表了一篇論文，報告了他們以萬億分之八十一（81ppt）的精確度測量了精細結構常數。這是迄今為止對精細結構常數的最精確測量。他們將常數的值測量到小數點後第11位，得出的結果為1/137.035999206(11) 。這比由加州大學伯克利分校的物理學家Holger Müller所領導的研究團隊在2018年作出的最佳測量還要精確2.5倍。
精細結構常數的測量可通過三個實驗步驟實現。首先，研究人員可以先讓原子從一束雷射束中吸收光子，並同時發射出光子，這一過程會產生反衝。通過測量反衝的動能，就可以計算出所用原子的質量——這是在此研究中最難以精確測量的量，因此任何能改進這一測量的方法，都能改進精細結構常數的測量值。接著，將測得的原子質量與已知的原子-電子質量之比相結合，便可以計算出電子的質量。最後，利用光譜學，研究人員可以測得氫原子的結合能，將其與電子的質量結合在一起，便能最終計算出精細結構常數的大小。
在這個實驗過程中，一個難點就在於第一步驟中的反衝能是非常小的，十分難以測量。為了解決這個問題，很多科學家會採用通過雷射冷卻的原子來進行原子幹涉測量。
在過去的20多年裡，Guellati-Khélifa一直致力於通過改進這種實驗方法來獲得更加精確的精細結構常數。2011年，她與她的團隊通過使用銣原子，以660ppt的精確度測得了精細結構常數。2018年，Müller團隊同樣採用原子幹涉的方法，以200ppt的精確度測得了這一數值，只不過在他們的實驗中所採用的不是銣原子，而是銫原子。
現在，在最新的實驗中，Guellati-Khélifa再次利用銣原子將這一精確度極限推至了81ppt。
在實驗過程中，他們首先將銣原子冷卻到接近絕對零度；接著，利用雷射脈衝讓銣原子處於兩種狀態的疊加態，一種是沒有被光子「踢」的；另一種是被光子「踢」了的。通過向這些銣原子發射更多的雷射脈衝，這兩種狀會重新組合在一起，產生相長幹涉或相消幹涉。被光子「踢」到的原子，反衝能就越大，因而與未被光子「踢」到的原子產生相位差。利用測量這種相差，研究人員推算了出反衝能的大小，進而計算出銣原子的質量。
令人驚訝的是，Guellati-Khélifa團隊所測得的最新結果，與Müller團隊在2018年所測得的結果存在一點差異，且這一差異大於這兩次測量結果的誤差範圍。這意味著，除非銣原子和銫原子之間存在某種未知的根本差異會導致這樣的局面之外，這兩次測量中至少有一次測量存在未被解釋良好的誤差。
目前，兩個團隊的研究人員都尚無法對這一誤差給出確切的解釋。在最新的論文中，作者提及這種研究測量結果上的差異可能是由雷射散斑（雷射強度在小尺度空間上的變化）或電子信號處理過程中產生的相移造成的。接下來，Guellati-Khélifa和Müller團隊都決定將進一步地改進實驗改進，以試圖找到導致這種差異的原因。
封面圖設計：嶽嶽子
封面圖素材來源：Fotocitizen & OpenClipart-Vectors / Pixabay
參考來源：
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
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