倾听电子的窃窃私语

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，它也是物理学中经受最精确检验的理论。它已通过多种方式接受了严格测试，精度高达十亿分之0.1。但正是这一理论的强大之处驱使物理学家对其进行更严苛的检验，以探索其可能存在的极限。任何显著偏差都将成为新物理学的线索。

QED 将带电粒子间的电磁相互作用理解为“虚”光子的交换——原子中电子以此方式彼此“交流”、与原子核“交流”，并通过光子的发射与再吸收实现自我相互作用，这是一种被称为“自能”的 QED 效应。此外，研究发现物理真空并非空无一物，而是充满了虚粒子（如电子-正电子对），它们持续从“虚无”中涌现，但必须在量子物理学不确定性原理设定的界限内消失。尽管这听起来可能离奇，但它恰恰解释了早在1940年代原子物理学实验中观测到的底层物理现象。

研究 QED 现象的一种前沿方法是利用电子的所谓 g-因子，该因子描述了其力学属性（内禀角动量：自旋）与磁学性质之间的关系。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 相互作用改变了 g-因子，导致其与数值 2 存在微小但可精确测量的偏差。QED 效应对外场具有强烈的非线性依赖性。在重元素中，电子会感受到由高核电荷引起的极强电场。氢类高电荷离子是最简单的系统，其已在理论和实验研究方面取得极大成功 。

在一项实验与理论联合协作研究中，海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的研究人员现已探究了类锂锡离子中最外层束缚电子的 g-因子。该系统与氢类似，但增加了与内层原子壳两个紧密结合电子的相互作用。

理论：从头算 QED 计算

一次 从头算 计算在基本层面考虑了所有组分间的电磁相互作用——此处针对类锂离子——包括特定阶次的 QED 效应。计算中纳入了电子交换光子的电子结构效应，以及电子与其他电子、与自身或与真空相互作用的 QED 屏蔽效应。该 从头算 预测通过使用从近期类氢锡测量中提取并按比例缩放至类锂电子情形的双圈 QED 贡献，得到了进一步改进。这产生了一个“实验增强的”理论预测值：

g_th = 1.980 354 797(12)

其中括号内给出了不确定度。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 的低温彭宁阱 ALPHATRAP 中进行。阱内强磁场导致被束缚离子进行特征运动，并使外层电子的自旋像微小磁陀螺般进动。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”电极中感生的微小电信号直接探测。为确定进动频率，向阱中发射微波辐射，其可诱导自旋翻转（由于量子化，仅有“上”和“下”两种可测自旋态取向的自旋方向改变）。当微波频率与进动频率共振时，自旋翻转率达到最大值。

结果与展望

类锂锡离子 g 因子的实验值为

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

其中括号内分别给出了统计、系统及外部不确定度。外部不确定度主要由离子质量不确定度主导，目前限制了实验精度。整体精度为十亿分之0.5。实验结果在计算不确定度范围内与上述理论预测吻合良好。在实验方面，若理论进展有需求，将离子质量值精度提升一个数量级以上，进而增强 g 因子测量的精度是可行的。未来，对更重的类锂系统（如 ²⁰⁸铅⁷⁹⁺）的测量，以及双圈 QED 计算的预期进展，将利用高电荷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、中性原子的宇称不守恒跃迁以及其他效应。