ذرة الهيليوم تشبه نظامًا شمسيًا مصغرًا: تدور الإلكترونات حول النواة، لكن مداراتها تحكمها قواعد صارمة. لقد تعلّم العلماء مراقبة هذه الحركات بدقة مذهلة. في تجربة جديدة، قاموا بقياس تردد الانتقال بين حالتين لذرة الهيليوم-4، وكأنهم التقطوا اللحظة التي يقفز فيها كوكب من مدار إلى آخر.
ولتحقيق ذلك، تم تبريد ذرات الهيليوم-4 إلى حالة تسمى مكثف بوز-أينشتاين: حيث تندمج ملايين الذرات في سحابة واحدة تتحرك جميعها بنفس الطريقة. وقد تم تثبيت السحابة بواسطة مصيدة ليزر مضبوطة بحيث لا تشوّه الانتقال المقاس. حُدد التردد بهامش خطأ يبلغ 48 هرتز فقط، وهذا يشبه ملاحظة أن بندول الساعة تأرجح قبل جزء من مليار من الثانية. وقد تمت المعايرة بالمقارنة مع ساعة في محطة بعيدة عبر خط ألياف بصرية.
القيمة الدقيقة للفرق في أحجام نوى الهيليوم-3 والهيليوم-4 تساعد في اختبار الديناميكا الكهربائية الكمومية (quantum electrodynamics)، وهي النظرية التي تصف تفاعل الضوء والمادة. سابقًا، كان هناك تناقض بين النظرية والتجربة فيما يخص طاقات التأين للحالات المثارة للهيليوم. النتيجة الجديدة تُظهر أنه لا يوجد هذا التناقض في الإزاحة النظائرية، مما يعني أن اللغز يكمن في جوانب أخرى من النظرية. وهكذا، بقياس التحولات الصغيرة في أطياف الذرات، يختبر الفيزيائيون القوانين الأساسية للطبيعة.
هامش الخطأ البالغ 48 هرتز عند تردد انتقال يبلغ حوالي 1.7 بيتاهرتز يعادل قياس المسافة من الأرض إلى القمر بدقة تعادل سمك شعرة إنسان.
في قصة غريغ إيغان "الهالة"، تُستخدم قياسات دقيقة لأطياف ذرات الهيليوم لاختبار تأثيرات دقيقة في نظرية الحقل الكمومي.