物理学家以前所未有的精确度测量原子核的波状振动

由杜塞尔多夫海因里希-海涅大学（Heinrich Heine University Düsseldorf，HHU）的斯蒂芬-席勒教授（Stephan Schiller）博士领导的物理学家小组利用超高精度激光光谱对一种简单的分子进行了测量，测量精度达到了前所未有的水平。

(资料图)

研究人员在科学杂志《自然-物理》上发表的论文中断言，他们的测量结果是迄今为止对核材料波状运动最精确的确认。此外，他们没有发现任何证据表明原子核之间的作用力有任何偏差。

近 100 年来，简单原子一直是精密实验和理论研究的对象，其中对氢原子--只有一个电子的最简单原子--的描述和测量工作堪称开创性。目前，氢原子能量及其电磁频谱是最精确计算的束缚量子系统能量。由于还可以对频谱进行极其精确的测量，因此将理论预测与测量结果进行比较可以检验预测所依据的理论。

实验示意图：在离子阱（灰色）中，激光波（红色）被发送到 HD+ 分子离子（黄色/红色点对）上，引起量子跃迁。这反过来又导致分子离子的振动状态发生变化。这一过程与光谱线的出现相对应。激光波长经过精确测量。图片来源：HHU/Soroosh Alighanbari

此类测试非常重要。全世界的研究人员都在寻找暗物质存在可能产生的新物理效应的证据--尽管至今未果。这些效应将导致测量与预测之间的差异。

与氢原子相比，最简单的分子在很长一段时间内都不是精确测量的对象。然而，由哈佛大学实验物理学系主任斯蒂芬-席勒教授（Stephan Schiller Ph.D.）领导的研究小组却致力于这一课题的研究。在杜塞尔多夫，该研究小组开展了开创性的工作，开发出了世界上最精确的实验技术。

最简单的分子是分子氢离子（MHI）：氢分子缺少一个电子，由三个粒子组成。其中一种变体 H2+ 由两个质子和一个电子组成，而 HD+ 则由一个质子、一个氘核（一种较重的氢同位素）和一个电子组成。质子和氘核是带电的"重子"，即受到所谓强力作用的粒子。

MHI 的示意图，这里是一个 HD+ 分子： 它由一个氢原子核（p）和一个氘核（d）组成，这两个原子核可以相互旋转和振动。此外，还有一个电子（e）。p 和 d 的运动表现为光谱线的出现。资料来源：HHU/Soroosh Alighanbari

在分子内部，各成分可以有不同的行为方式： 电子围绕原子核运动，而原子核则相互振动或旋转，粒子的行为就像波一样。量子理论详细描述了这些波的运动。不同的运动模式决定了分子的光谱，反映在不同的光谱线上。光谱的产生方式与原子光谱类似，但要复杂得多。

目前物理学研究的艺术在于极其精确地测量光谱线的波长，并在量子理论的帮助下极其精确地计算这些波长。如果这两个结果相吻合，就证明了预测的准确性，而如果不吻合，则可能为"新物理学"埋下伏笔。

多年来，哈佛大学的物理学家团队不断改进 MHI 的激光光谱学，开发出各种技术，将光谱的实验分辨率提高了多个数量级。他们的目标是：光谱测量越精确，理论预测就越能得到验证。这样就能发现任何可能的理论偏差，从而为理论的修改提供起点。

席勒教授的团队将实验精度提高到了优于理论的水平。为了实现这一目标，杜塞尔多夫的物理学家们将大约 100 个中等数量的 MHI 限制在一个超高真空容器的离子阱中，利用激光冷却技术将离子冷却到 1 毫开尔文的温度。这样就可以非常精确地测量旋转和振动跃迁的分子光谱。继早先对波长为 230 μm 和 5.1 μm 的光谱线进行研究之后，作者现在又在《自然-物理学》上发表了对波长更短的 1.1 μm 光谱线的测量结果。

席勒教授说："实验测定的过渡频率与理论预测一致。结合之前的结果，我们对带电重子的量子运动进行了最精确的检验：任何偏离既定量子定律的情况如果存在，其偏差必须小于千亿分之一。"

这一结果也可以用另一种方式来解释： 假设除了众所周知的库仑力（带电粒子之间的作用力）之外，质子和氘核之间还可能存在另一种基本力。主要作者 Soroosh Alighanbari 博士说："这种假设的力可能与暗物质现象有关。我们在测量过程中还没有发现这种力的任何证据，但我们将继续寻找"。

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