Протон измерили с точностью часовщика экспресс
Водород — самый простой атом: один протон и один электрон. Казалось бы, что тут изучать? Но именно на нём физики проверяют самые тонкие законы микромира. Электрон в атоме может находиться на разных энергетических уровнях, как на ступеньках лестницы. Чтобы перепрыгнуть на ступеньку выше, он должен поглотить свет строго определённой частоты — как ключ подходит только к своему замку.
Авторы новой работы охладили пучок атомов водорода до криогенных температур — почти до абсолютного нуля. В таком холоде атомы движутся медленно, и их легче «рассмотреть». Затем на пучок направили лазер и заставили электроны прыгать с уровня 2S на более высокие уровни 8S, 9S и 10S. Частоту света измерили с огромной точностью: ошибка составила всего 2.6×10⁻¹². Если перевести это в бытовые масштабы, то всё равно что измерить расстояние от Земли до Луны с погрешностью в толщину человеческого волоса.
Из этих измерений учёные вычислили две важнейшие величины. Первая — радиус протона: он оказался равен 0.8433 фемтометра (один фемтометр — это миллионная доля миллиардной доли метра). Вторая — частота Ридберга, фундаментальная константа, которая связывает все энергетические уровни в атоме. Оба числа прекрасно совпали с рекомендованными значениями CODATA 2022 — это как если бы два независимых часовщика, работая в разных мастерских, создали часы, которые идут секунда в секунду.
Такой точный «замок» из света и атома не только подтверждает наши знания, но и готовит почву для будущих открытий. Возможно, именно на простейшем атоме удастся заметить первые трещины в Стандартной модели — и тогда лестница энергетических уровней приведёт нас к новой физике.
Если бы протон увеличить до размера футбольного мяча, то электрон в атоме водорода находился бы на расстоянии около 10 километров от него — настолько атом пуст внутри.
В романе «Солярис» Станислава Лема океан мог манипулировать квантовыми состояниями — возможно, используя переходы, подобные тем, что измеряли в этой работе.