馬克斯·普朗克量子光學研究所的物理學家們利用氫光譜學將量子力學的精確度提高到了一個全新的水平，在此過程中，他們更接近於解決著名的質子電荷半徑難題。
馬克斯普朗克量子光學研究所（MPQ）的科學家們成功地測試了量子電動力學，其精確度達到了小數點後13位。新的測量方法幾乎是之前所有氫測量方法加起來的兩倍，使科學向解決質子大小的難題又邁進了一步。這種高精度是由獲得諾貝爾獎的頻率梳技術實現的。研究結果發表在最近的《科學》雜誌上。
物理學是一門嚴謹的科學。這意味著物理理論的預測（精確的數字）可以被實驗驗證或證偽。實驗是對任何理論的有效驗證。量子電動力學（量子力學的相對論版本）無疑是迄今為止最成功的理論。它允許進行極其精確的計算，例如，將氫原子的光譜描述到小數點後12位。氫是宇宙中最常見的元素，同時也是最簡單的，只有一個電子的元素。然而，它仍然是一個未知的謎。
質子大小之謎
氫原子中的電子「感知」質子的大小，而質子的大小在能級上的最小變化中得到反映。幾十年來，無數次對氫的測量都得出了一致的質子半徑。但對所謂的介子氫的光譜研究揭示了一個謎。在這種氫中，電子被比它重200倍的介子取代。這些測量是在2010年與蘭道夫波爾合作進行的。從這些實驗中得到的質子半徑值比普通氫的半徑小百分之四。如果所有的實驗都是正確的，那麼就會出現與量子電動力學理論相矛盾的情況，因為所有用介子和普通氫進行的測量必須具有相同的質子半徑，而所有的理論條件都是正確的。因此，這個「質子半徑之謎」激發了全世界新的精確測量方法。然而，當來自加興和多倫多的新測量結果證實質子半徑變小時，來自巴黎的測量結果再次支持了之前較大的數值。
科學在獨立的比較中蓬勃發展。利用所謂的無都卜勒雙光子頻率梳光譜學，研究小組已經成功地將精確度提高了四倍。現在對質子半徑的測量結果比之前所有對氫的測量結果加在一起要精確兩倍。這是量子力學第一次被測量到十三位小數。該方法確定的質子半徑值證實了質子半徑較小，從而排除了該理論的原因。因為對於相同的躍遷，無論理論如何，實驗結果必須一致。
對量子電動力學有效性的評價只能通過幾個獨立的測量值進行比較。如果理論是正確的，並且所有的實驗都是正確的，那麼質子半徑的值必須在實驗不確定度的範圍內一致。但事實並非如此，正如我們在圖中看到的那樣。這個差異的解釋（質子之謎）開啟了量子電動力學（最精確的物理理論）可能存在一個根本缺陷的可能性。然而，新的結果表明，這個問題是實驗性的，而不是根本性的。量子電動力學又一次成功了。
頻率梳光譜學的新裡程碑
脈衝鈦藍寶石雷射器在放大非線性晶體時產生了二次諧波，產生了410nm的藍色雷射。
頻率梳光譜學在這個項目中的成功也意味著一個重要的科學裡程碑。迄今為止，對氫和其他原子和分子的精確光譜學幾乎完全是用連續波雷射器進行的。相比之下，頻率梳是由脈衝雷射產生的。有了這種雷射器，就有可能穿透到波長更短的紫外線範圍。使用連續波雷射器，這似乎是一個沒有希望的努力。非常有趣的離子，比如類似氫的氦離子，在這個光譜範圍內有它們的躍遷，但即使在第一個量子理論發展100多年後，它們也不能被精確地研究。現在提出的實驗是改變這種不令人滿意情況的必要步驟。此外，人們希望這些紫外頻率梳能夠使重要的生物和化學元素，如氫和碳，通過雷射直接冷卻，使科學能夠以更高的精度研究它們。