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.
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.