Атом гелия — словно крошечная солнечная система: электроны движутся вокруг ядра, но их орбиты заданы строгими правилами. Ученые научились подсматривать за этими движениями с невероятной точностью. В новом эксперименте они измерили частоту перехода между двумя состояниями атома гелия-4 — как будто поймали момент, когда планета перескакивает с одной орбиты на другую.
Для этого атомы гелия-4 охладили до состояния, называемого конденсатом Бозе-Эйнштейна: миллионы атомов сливаются в единое облако, где все движутся одинаково. Облако удерживали лазерной ловушкой, настроенной так, чтобы не искажать измеряемый переход. Частоту определили с погрешностью всего 48 герц — это как заметить, что маятник часов качнулся на одну миллиардную долю секунды раньше. Сравнение с часами на удаленной станции через оптоволоконную линию обеспечило калибровку.
Точное значение разницы размеров ядер гелия-3 и гелия-4 помогает проверить квантовую электродинамику — теорию, описывающую взаимодействие света и вещества. Ранее между теорией и экспериментом по энергиям ионизации возбужденных состояний гелия было расхождение. Новый результат показывает, что в изотопическом сдвиге этого расхождения нет: значит, загадка кроется в других аспектах теории. Так, измеряя крошечные сдвиги в спектрах атомов, физики проверяют самые фундаментальные законы природы.
Погрешность 48 герц при частоте перехода около 1,7 петагерца эквивалентна измерению расстояния от Земли до Луны с точностью до толщины человеческого волоса.
В рассказе Грега Игана «Ореол» точные измерения спектров атомов гелия используются для проверки тонких эффектов квантовой теории поля.