量子电动力学前所未有的准确性，解决质子半径难题的巨大飞跃

马克斯·普朗克量子光学研究所的物理学家们利用氢光谱学将量子力学的精确度提高到了一个全新的水平，在此过程中，他们更接近于解决著名的质子电荷半径难题。

马克斯普朗克量子光学研究所（MPQ）的科学家们成功地测试了量子电动力学，其精确度达到了小数点后13位。新的测量方法几乎是之前所有氢测量方法加起来的两倍，使科学向解决质子大小的难题又迈进了一步。这种高精度是由获得诺贝尔奖的频率梳技术实现的。研究结果发表在最近的《科学》杂志上。

物理学是一门严谨的科学。这意味着物理理论的预测（精确的数字）可以被实验验证或证伪。实验是对任何理论的有效验证。量子电动力学（量子力学的相对论版本）无疑是迄今为止最成功的理论。它允许进行极其精确的计算，例如，将氢原子的光谱描述到小数点后12位。氢是宇宙中最常见的元素，同时也是最简单的，只有一个电子的元素。然而，它仍然是一个未知的谜。

质子大小之谜

氢原子中的电子“感知”质子的大小，而质子的大小在能级上的最小变化中得到反映。几十年来，无数次对氢的测量都得出了一致的质子半径。但对所谓的介子氢的光谱研究揭示了一个谜。在这种氢中，电子被比它重200倍的介子取代。这些测量是在2010年与兰道夫波尔合作进行的。从这些实验中得到的质子半径值比普通氢的半径小百分之四。如果所有的实验都是正确的，那么就会出现与量子电动力学理论相矛盾的情况，因为所有用介子和普通氢进行的测量必须具有相同的质子半径，而所有的理论条件都是正确的。因此，这个“质子半径之谜”激发了全世界新的精确测量方法。然而，当来自加兴和多伦多的新测量结果证实质子半径变小时，来自巴黎的测量结果再次支持了之前较大的数值。

科学在独立的比较中蓬勃发展。利用所谓的无多普勒双光子频率梳光谱学，研究小组已经成功地将精确度提高了四倍。现在对质子半径的测量结果比之前所有对氢的测量结果加在一起要精确两倍。这是量子力学第一次被测量到十三位小数。该方法确定的质子半径值证实了质子半径较小，从而排除了该理论的原因。因为对于相同的跃迁，无论理论如何，实验结果必须一致。

对量子电动力学有效性的评价只能通过几个独立的测量值进行比较。如果理论是正确的，并且所有的实验都是正确的，那么质子半径的值必须在实验不确定度的范围内一致。但事实并非如此，正如我们在图中看到的那样。这个差异的解释（质子之谜）开启了量子电动力学（最精确的物理理论）可能存在一个根本缺陷的可能性。然而，新的结果表明，这个问题是实验性的，而不是根本性的。量子电动力学又一次成功了。

频率梳光谱学的新里程碑

脉冲钛蓝宝石激光器在放大非线性晶体时产生了二次谐波，产生了410nm的蓝色激光。

频率梳光谱学在这个项目中的成功也意味着一个重要的科学里程碑。迄今为止，对氢和其他原子和分子的精确光谱学几乎完全是用连续波激光器进行的。相比之下，频率梳是由脉冲激光产生的。有了这种激光器，就有可能穿透到波长更短的紫外线范围。使用连续波激光器，这似乎是一个没有希望的努力。非常有趣的离子，比如类似氢的氦离子，在这个光谱范围内有它们的跃迁，但即使在第一个量子理论发展100多年后，它们也不能被精确地研究。现在提出的实验是改变这种不令人满意情况的必要步骤。此外，人们希望这些紫外频率梳能够使重要的生物和化学元素，如氢和碳，通过激光直接冷却，使科学能够以更高的精度研究它们。