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量子电动力学——追求精密测量

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，同时也是物理学中经受最精密检验的理论。该理论已通过各种方式经受严格验证，精度高达0.1ppb（十亿分之一）。然而，正是该理论的强大促使物理学家开展更严格的检验以探索其可能存在的局限性。任何显著偏差都将是新物理的迹象。

QED将带电粒子间的电磁相互作用理解为"虚"光子的交换——原子中电子彼此交流、与原子核交流的方式——并通过光子的发射和重吸收实现电子与自身的相互作用，这种QED效应称为"自能"。此外，物理真空并非空无一物，而是充满了诸如电子-正电子对等虚粒子，这些粒子持续从"虚无"中产生，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，但这正是解释20世纪40年代原子物理学实验基础物理机制的方式。

前沿研究QED现象的方法是电子的所谓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（相对论量子力学），自由电子的g因子应精确等于2。然而，各种QED相互作用改变了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场。在重元素中，电子会经历原子核高电荷产生的极强电场。类氢高电荷离子是最简单的体系，已在理论和实验研究中取得巨大成功。

海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的研究人员通过实验-理论的协同合作，首次研究了类锂锡离子中最外层束缚电子的g因子。该体系与氢类似，但增加了与内层原子壳中两个紧密结合电子的相互作用。

理论：ab initio（从头算起）QED计算

Ab initio计算在基本层面上考虑了所有组分（此处指类锂离子）间的电磁相互作用，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、电子自身或真空相互作用的QED屏蔽效应。通过将最近在类氢锡离子中测量的双圈QED贡献按比例缩放至类锂电子情形，"从头算起"预测值得到了进一步改进。由此获得"实验增强型"理论预测值：

g_理论值 = 1.980 354 797(12)

括号内数值为不确定度。与类氢情形相比，整体精度提高了25倍。

实验：自旋翻转计数

束缚电子g因子的测量在MPIK的低温帕邢阱ALPHATRAP中进行。阱内强磁场导致被束缚离子产生特征运动，并使外层电子自旋像微型磁陀螺般进动。g因子可通过计算离子运动频率与进动频率的比值导出（计算中磁场影响已被消除）。离子运动可直接通过"精密阱"电极中感生的小电信号检测。为测定进动频率，向阱内发射微波辐射以诱导自旋翻转（即自旋取向改变，由于量子化仅存在"上"、"下"两种可测自旋态）。当微波频率与进动频率共振时，自旋翻转率达到峰值。

结果与展望

类锂锡离子g因子的实验值为：

g_实验值 = 1.980 354 799 750(84)_统计(54)_系统(944)_外部

括号内依次为统计、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，这是当前限制实验精度的主要因素。总体精度达0.5ppb（十亿分之零点五）。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。实验上可将质量值精度提升一个数量级以上，从而在理论进步的推动下提高g因子测量精度。未来，对更重类锂体系（如²⁰⁸Pb⁷⁹⁺）的测量及双圈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方案。本研究开发的电子间QED效应先进理论方法，可应用于更复杂离子（类硼或类碳离子）的g因子计算、中性原子宇称不守恒跃迁及其他效应研究。