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量子电动力学——追求精度的竞赛

量子电动力学（QED）是描述所有电磁现象（包括光子）的基础理论，同时也是物理学中经受最精确检验的理论。它已通过多种方式经受严格验证，精度达十亿分之0.1。但正是该理论的强大之处驱使物理学家对其进行更严苛的测试，探索其可能存在的局限性。任何显著偏差都将为新物理提供线索。

QED将带电粒子间的电磁相互作用理解为"虚拟"光子的交换——即原子中电子相互"交流"、与原子核"对话"的方式——并通过光子的发射和再吸收实现自相互作用，这种QED效应称为"自能"。此外，物理真空并非真正空无一物，而是充满了诸如电子-正电子对等虚拟粒子。这些粒子持续从"虚无"中出现，但必须在量子物理不确定性原理设定的时限内消失。尽管这听起来匪夷所思，它恰恰解释了20世纪40年代原子物理实验的底层机制。

研究QED现象的前沿手段是电子的g因子，该因子描述其力学特性（内禀角动量：自旋）与磁学特性的关系。根据狄拉克理论（相对论量子力学），自由电子的g因子应精确等于2。然而，各类QED相互作用会改变g因子，导致其值与2之间产生微小但可精确测量的偏差。QED效应对外部场具有极强的非线性依赖性。在重元素中，电子因高核电荷而承受极强的电场。类氢高电荷离子是最简单的体系，其理论与实验研究已取得巨大成功。

海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的研究人员通过理论与实验协同工作，对类锂锡离子中最外层束缚电子的g因子展开研究。该体系与氢类似，但增加了内原子壳层两个强束缚电子的相互作用。

理论：从头计算法 QED理论计算

从头计算法从基本层面考量所有组分间的电磁相互作用（此处指类锂离子），包含特定阶次的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、自身或真空相互作用的QED屏蔽效应。通过将氢类锡离子最新测量中提取的双圈QED贡献标度化至类锂电子情形，该从头计算法预测得到进一步优化，最终获得"实验增强型"理论预测值：

g_th = 1.980 354 797(12)

括号内标注不确定度。相较类氢体系，整体精度提升了25倍。

实验：自旋翻转计数

束缚电子g因子测量在MPIK的低温彭宁阱ALPHATRAP中完成。阱内强磁场导致离子受限于场中做特征运动，并使外层电子自旋如同微型磁陀螺般进动。通过离子运动频率与进动频率的比值可提取g因子，计算过程中磁场影响被消除。离子运动可通过"精密阱"电极中微弱的感应电信号直接探测。为测定进动频率，向阱内发射微波辐射以诱发自旋翻转（即自旋取向改变，因量子化仅存在"上""下"两种可测自旋态）。当微波频率与进动频率共振匹配时，自旋翻转率将达到峰值。

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

括号内依次标注统计、系统及外部不确定度。外部不确定度主要源于离子质量测量误差，目前制约着实验精度。总体精度达十亿分之0.5。实验结果与上述理论预测在计算不确定度范围内高度吻合。实验层面可通过理论进展驱动，将质量值精度提升一个量级以上，从而增强g因子测量精度。未来，对更重类锂体系（如²⁰⁸Pb⁷⁹⁺）的测量，以及双圈QED计算的预期突破，将利用高电荷离子在强电场领域实现更优检验。本研究发展的电子间QED效应先进理论方法，可拓展应用于更复杂离子（类硼/碳离子）的g因子计算、中性原子宇称不守恒跃迁及其他效应研究。