ذرة الهيدروجين تشبه ساعة صغيرة تدق بدقة يحلم بها المهندسون. عندما يقفز الإلكترون بين المدارات، فإنه يمتص أو يصدر ضوءًا بتردد محدد بدقة، وهذه هي "النبضة". في العمل الجديد، التقط الفيزيائيون أحد هذه الانتقالات، بين الحالتين 2S و6P، وقاسوا تردده بهامش خطأ أقل من جزء من المليار من المئة. الرقم الناتج هو 730 690 248 610.79 كيلوهرتز، والخطأ 0.48 كيلوهرتز فقط. للمقارنة: لو قسنا المسافة من موسكو إلى فلاديفوستوك بنفس الدقة، لكان الخطأ أقل من سُمك شعرة الإنسان.
هذا القياس مكّن من حساب نصف قطر البروتون، وهو الجسيم الذي يدور حوله الإلكترون. سابقًا، كانت الطرق المختلفة تعطي نتائج متباينة قليلاً، كما لو أن مقياسي حرارة يُظهران درجتي حرارة مختلفتين في نفس الغرفة. القيمة الجديدة، 0.8406 فمتومتر (الفمتومتر هو جزء من مليون من النانومتر)، تطابقت مع أدق البيانات من هيدروجين الميون، حيث يُستبدل الإلكترون بقريبه الأثقل، الميون. لغز التباين الذي أربك الفيزيائيين لعقد من الزمن، يبدو أنه حُل.
لكن النتيجة الرئيسية ليست حجم البروتون بحد ذاته، بل اختبار الديناميكا الكهربائية الكمية (QED)، وهي النظرية التي تصف كيفية تفاعل الضوء مع المادة. الديناميكا الكهربائية الكمية هي واحدة من أدق النظريات في تاريخ العلم، لكنها تحتاج أيضًا إلى اختبار مستمر. التجربة الجديدة أكدت تنبؤات الديناميكا الكهربائية الكمية بدقة تصل إلى 0.5 جزء من المليون للتصحيحات المعقدة المرتبطة بالحالة المرتبطة للإلكترون. هذا مثل فحص آلية ساعة، بتفكيكها حتى آخر برغي، والتأكد من أن كل شيء يدور دون خلل.
كما كتبه المؤلفون، بالإنجليزية arXiv:2602.14980
Quantum electrodynamics (QED), the first relativistic quantum field theory, describes light-matter interactions at a fundamental level and is one of the pillars of the Standard Model (SM). Through the extraordinary precision of QED, the SM predicts the energy levels of simple systems such as the hydrogen atom with up to 13 significant digits, making hydrogen spectroscopy an ideal test bed. The consistency of physical constants extracted from different transitions in hydrogen using QED, such as the proton charge radius $$r_\mathrm{p}$$, constitutes a test of the theory. However, values of $$r_\mathrm{p}$$ from recent measurements of atomic hydrogen are partly discrepant with each other and with a more precise value from spectroscopy of muonic hydrogen. This prevents a test of QED at the level of experimental uncertainties. Here we present a measurement of the 2S-6P transition in atomic hydrogen with sufficient precision to distinguish between the discrepant values of $$r_\mathrm{p}$$ and enable rigorous testing of QED and the SM overall. Our result $$ u^{}_{\text{2S-6P}}$$ = 730,690,248,610.79(48) kHz gives a value of $$r_\mathrm{p}$$ = 0.8406(15) fm at least 2.5-fold more precise than from other atomic hydrogen determinations and in excellent agreement with the muonic value. The SM prediction of the transition frequency (730,690,248,610.79(23) kHz) is in excellent agreement with our result, testing the SM to 0.7 parts per trillion (ppt) and, specifically, bound-state QED corrections to 0.5 parts per million (ppm), their most precise test so far.
إذا تم تكبير ذرة الهيدروجين إلى حجم ملعب كرة قدم، لكان البروتون بحجم حبة رمل في مركزه، والإلكترون أصغر من ذرة غبار تطير فوق المدرجات.
القياسات فائقة الدقة للانتقالات الذرية هي أساس تقنيات المستقبل: من الحواسيب الكمومية إلى الملاحة في الفضاء السحيق دون الاتصال بالأرض.