Атом водорода измерен до триллионных долей экспресс
Атом водорода — как крошечные часы, тикающие с точностью, о которой инженеры могут только мечтать. Когда электрон перескакивает между орбитами, он поглощает или испускает свет строго определённой частоты — это и есть «тик». В новой работе физики поймали один из таких переходов — между состояниями 2S и 6P — и измерили его частоту с погрешностью меньше одной миллиардной доли процента. Полученное число: 730 690 248 610,79 килогерц, и ошибка всего 0,48 килогерц. Для сравнения: если бы так же точно измеряли расстояние от Москвы до Владивостока, ошибка была бы меньше толщины человеческого волоса.
Это измерение позволило вычислить радиус протона — частицы, вокруг которой вращается электрон. Раньше разные методы давали слегка разные результаты, как будто два термометра показывали разную температуру в одной комнате. Новое значение — 0,8406 фемтометра (фемтометр — это миллионная доля нанометра) — совпало с самыми точными данными от мюонного водорода, где электрон заменён на его более тяжёлого «кузена» мюона. Загадка расхождения, мучившая физиков десятилетие, похоже, решена.
Но главный результат — не сам размер протона, а проверка квантовой электродинамики (КЭД), теории, описывающей, как свет взаимодействует с веществом. КЭД — одна из самых точных теорий в истории науки, но и её нужно постоянно испытывать. Новый эксперимент подтвердил предсказания КЭД с точностью до 0,5 миллионных долей для сложных поправок, связанных со связанным состоянием электрона. Это как проверить работу часового механизма, разобрав его до последнего винтика и убедившись, что всё крутится без сбоев.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском 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.
Если бы атом водорода увеличили до размеров футбольного поля, протон был бы размером с песчинку в его центре, а электрон — меньше пылинки, летающей по трибунам.
Сверхточные измерения атомных переходов — основа технологий будущего: от квантовых компьютеров до навигации в глубоком космосе без связи с Землёй.