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量子电动力学——精度之争

量子电动力学（QED）是描述所有电磁现象（包括光/光子）的基础理论。同时，它也是物理学中经过最精确检验的理论。其已在多种方式下接受了高达十亿分之一0.1的精严格验证。但正是该理论强大的预测能力驱使物理学家对其进行更严格的检验，并探索其可能的极限。任何显著偏差都将预示着新物理的存在。

QED将带电粒子间的电磁相互作用理解为“虚”光子的交换——原子中的电子通过这种方式彼此“交流”，与原子核“对话”，并通过光子的发射和再吸收（一种称为“自能”的QED效应）与自身发生作用。此外，物理真空并非空无一物，而是充满了虚粒子，例如电子-正电子对，它们总是“凭空”出现，但必须在量子物理学不确定性原理设定的时限内消失。尽管这听起来可能有些诡异，但这恰恰是解释20世纪40年代就已进行的原子物理学实验背后物理原理的方式。

研究QED现象的一种尖端方法是所谓的电子g因子，它描述了电子的力学特性（内禀角动量：自旋）与磁学特性之间的关系。根据狄拉克理论（相对论性量子力学），自由电子的g因子应恰好为2。然而，各种QED相互作用会改变g因子，导致其与数值2产生微小但可精确测量的偏差。QED效应以强非线性方式依赖于外部场。在重元素中，由于高核电荷的存在，电子会经历极强的电场。最简单的体系是类氢高电荷态离子，其理论和实验研究均已取得巨大成功。

在海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的一项理论与实验合作研究中，研究人员如今研究了类锂锡离子中最外层束缚电子的g因子。该体系类似于氢，但增加了与内原子壳层两个紧密结合的电子的相互作用。

理论：ab initio QED计算

ab initio（从头开始）计算在基本层面上考虑了所有组分（此处指一个类锂离子）间的电磁相互作用，包括达到特定阶次的QED效应。计算中纳入了电子交换光子的电子结构效应，以及电子同时与其他电子、自身或真空相互作用的QED屏蔽效应。通过使用从近期类氢锡离子测量中提取并按比例推算至类锂电子情形的双圈QED贡献值，进一步改进了ab initio预测。这得到了一个“实验增强型”理论预测值：

g_th = 1.980 354 797(12)

括号内给出的是不确定度。与类氢情形相比，总体精度提高了25倍。

实验：自旋翻转计数

束缚电子g因子的测量在MPIK使用低温潘宁阱ALPHATRAP进行。阱内的强磁场导致被束缚离子产生特征性运动，并使外层电子的自旋像微型磁陀螺般进动。g因子可从离子运动频率与进动频率的比值中提取，同时在此计算中消除了磁场的影响。离子运动可通过“精密阱”电极中微小的感应电信号直接检测。为确定进动频率，向阱内发射微波辐射，该辐射可诱导自旋翻转——即自旋取向的改变（由于量子化，仅有“上”和“下”两种可测量的自旋态）。当微波频率与进动频率共振匹配时，自旋翻转速率达到峰值。

结果与展望

类锂锡离子的g因子实验值为

g_exp = 1.980 354 799 750(84)_stat(54)_sys(944)_ext

括号内分别给出了统计不确定度、系统不确定度和外部不确定度。外部不确定度主要源于离子质量不确定度，这目前限制了实验精度。总体精度为十亿分之0.5。实验结果在计算不确定度范围内与上述理论预测值高度吻合。在实验方面，若理论进展需要，将离子质量值的精度提高一个数量级以上，从而提升g因子的精度是可行的。未来，对更重类锂体系（如²⁰⁸Pb⁷⁹⁺）的测量以及双圈QED计算的预期进展，将利用高电荷态离子在强电场区域提供更优的检验。此处为电子间QED效应开发的先进理论方法，可应用于更复杂离子（类硼或类碳离子）的g因子计算、中性原子中的宇称不守恒跃迁及其他效应。