更新教科书:质子的半径是错误的吗?

作者:幸爨

<p>努力在理论和实验之间达成一致并推动精确度的界限是科学过程的重要部分随着这一过程中的每一步,我们都接近启蒙,但当理论和实验发生分歧时事情变得有趣这是最近一系列实验后的情况</p><p>调查质子的半径正如作者艾萨克·阿西莫夫曾经说过的那样:在科学中听到的最激动人心的一句话,即预示着新发现的那个,不是“尤里卡!”(“我发现它!”)而是“嗯......那是好笑......“氢气是一个简单的原子,对吗</p><p>这是一个与质子结合的电子谁知道它会在物理界引起如此轰动</p><p> “科学”杂志最近发表的一篇文章提供了2010年公告的更新,该公告符合通常的模式:对既定理论与新实验之间存在巨大差异的盛大主张,随后是对不同可信度水平的广泛解释通常这些更新是澄清这个问题已经解决了,再一次,一些无害的东西应该归咎于意外的结果三年后更新说“它仍然坏了!”是一个奇怪的问题这里的公告是关于一个发现,质子的半径与“教科书”值的差异为4%这听起来不是很多,但我们认为我们知道半径在08%以内,使4%有点大不了物理学家只会把某些东西视为“发现” “如果它是五个”标准偏差“(5σ)显着这个测量现在是7σ并且比前一个值精确十倍以上,误差仅为005%是什么让它变得更加重要但是,质子的半径并不是从标尺上读取它的一些价值</p><p>教科书价值背后的理论是量子电动力学(QED),可能是所有物理学中最精确和最准确的理论它描述了光和物质在基本尺度上相互作用的方式这是导致预测电子(和μ子)的“异常磁偶极矩”的理论,这是物理学中最精确测量的量之一</p><p>在一个完美的世界中,电子会具有精确g = 2的“g因子”这个值的组合理论与实验导致无单位数量与g = 2的差异非常好理解:g / 2 = 1001 159 652 180 76±0000 000 000 000 27也就是说,我们知道g / 2优于3x1013中的一个部分,相当于知道太阳系的距离(我们太阳系的“边缘”)到最近的仪表这也对精细结构常数有影响 - 数量甚至一分钟的改变也会让我们的宇宙中的生命变得不可能这个常数也已通过实验验证,优于十亿分之一</p><p>这里的要点是QED工作得非常好所以如果它被破坏,这是一个非常非常大的问题与实验一致但是当它们没有时它会向前移动在质子半径的情况下,理论涉及一个称为里德堡常数的量,R∞我们认为我们对它的值有一个好主意事实上,它是最多的精确测量的基本常数这个常数的美妙之处在于它可以与其他一些基本的基本常数相关,例如电子的质量和电荷,以及能量单位:1 Ry =hcR∞= 13605 692 53 (30)eV如果你研究过氢气,你可能会很熟悉这种能量 - 它是地面能量(最低能量)状态,这对我们理解原子光谱至关重要 - 给定离散频率的范围基于电子能量水平从原子中吸收或吸收我们认为我们对光谱的理解非常清楚氢气的“21cm”线在科学文化中是众所周知的它是SETI在寻找来自其他世界的信号时扫描的波长它也被使用过作为Pioneer 10和11发出的黄金牌匾图表的标准比例,以及1号和2号旅行者的黄金记录,以及解释其重要性的图表(如果您想知道,它是旋转翻转的能量)氢中的基态电子,也称为超精细分裂)计算氢基态能量,或21cm线,精确依赖于量子电动力学,但这些不依赖于质子半径的值非常强烈 为什么</p><p>因为在氢的情况下,电子大部分时间都离质子很远很平均(我们在这里谈论量子力学)电子在能量中位于离质子本身约50,000个质子半径与21cm线相关的状态这就是为什么我们说原子是“主要是空的空间”当你用μ子代替氢中的电子时,重要的区别就在于电子的重质子,μ子的质量大约是电子的200倍</p><p>因此,它花费了大量的时间200倍于质子距离如此近,它的能量水平对质子的半径更敏感(具体来说,质子的电荷如何在其体积上分布)人们已经使用“教科书”半径作为输入来预测光谱40年,但我们缺乏实验验证这让我们回到了物理学家团队在Paul Scherrer研究所所做的工作(PSI) )2010年在瑞士和最近再次 - 他们非常精确地测量了声子氢的能谱,并发现它与他们的预期不符</p><p>使用量子电动力学,他们揭示了对质子半径的依赖性,发现值为4​​%小于“教科书”值完全解决问题以前的实验导致该值全部涉及“正常”氢,大多数从能量转移中提取质子半径的方式与muonic氢相同一些实验使用电子 - 质子散射来确定质子半径,但这个提取有一些基本问题,这使我在过去两年中更精确地计算QED值的问题变得复杂,并且得到了与我在此期间认识到的氢气保护团队相同的结论</p><p>什么都不简单,需要在这个级别进行极其精确的计算.Science中的更新验证了PSI团队的实验第二个值与他们的第一个完全一致,表明他们最初的设置没有问题在很多情况下,超过五个标准偏差的发现的离谱主张随着发现被忽视的贡献甚至消失而消失松散的电线(正如一些预测的那样)在这种情况下,结果已经经受了强烈的审讯并且仍然没有损坏接下来是对“教科书”价值的重新评估,并且正在进行更新的实验来探测这个问题仍然存在问题里德伯常数和其他实验,但有一种可怕的现象,即实验和理论倾向于与既定价值观一致,直到它们受到足够的挑战,此时它们“漂移”到更新的价值</p><p>尽管如此,导致这一点的旅程这一点为我提供了科学的动力:“让我们衡量X,看看它与上次的人有什么不同”当事情不同意时,w学习东西并取得进步再次,阿西莫夫把它说得比我更好:当人们认为地球是扁平的,他们错了当人们认为地球是球形的时候就错了但是如果你认为地球是球形的只是如果认为地球是平坦的那么错误,....