摘要：科学家们在量子电动力学（QED）领域又搞了个大新闻！最近，德国马克斯·普朗克核物理研究所的三个科学家在《物理评论快报》上发表了一篇论文，他们通过计算电子的“两圈”自能量，对基本常数的确定有了新进展。这事儿听起来挺玄乎的，但对我们理解宇宙的运作方式有着深远的影响

原创 哈尔鲍曼9000 科学剃刀

科学家们在量子电动力学（QED）领域又搞了个大新闻！最近，德国马克斯·普朗克核物理研究所的三个科学家在《物理评论快报》上发表了一篇论文，他们通过计算电子的“两圈”自能量，对基本常数的确定有了新进展。这事儿听起来挺玄乎的，但对我们理解宇宙的运作方式有着深远的影响。

图释：费曼图 [（a） 逐环，（b） 重叠，（c） 嵌套] 代表双环电子自能。双线表示存在结合核场的电子;波浪线表示虚拟光子的交换。信用：物理评论快报 （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.133.251803

先来科普一下，量子电动力学是研究电子和光子如何互动的理论。在二战后，理论物理学家们面临的一个挑战就是计算Lamb位移的值。Lamb位移是氢原子中电子从一个能级跃迁到另一个能级时释放的光子的能量。这个现象最早是在1947年被Willis Lamb和Robert Retherford发现的，当时他们观测到的光子频率是1000兆赫兹，对应的波长是30厘米，能量是电子伏特的四百万分之四，正好位于微波谱的下边缘。

传统的量子力学和狄拉克方程都没有预测到这种跃迁，因为Lamb位移是电子与真空相互作用的结果，而狄拉克的真空是一个不与真实粒子互动的“海”。

现在，科学家们通过计算电子的自能量来预测Lamb位移。自能量是指粒子因为改变自己周围环境而拥有的能量。在氢原子中，电子吸引核中的质子，这改变了它们之间的有效距离。QED通过费曼图来计算自能量，而“两圈”指的是描述这个量子过程的费曼图——两个来自量子真空的虚拟光子影响电子的行为。

这项研究的核心是计算两圈自能量对所有阶的修正，这在描述Lamb位移的三个数学项中占有重要地位，并且对Lamb能量位移的结果影响最大。研究团队通过数值计算提高了这一精度，他们计算了Zα的所有阶的两圈修正，Zα是一个重要的参数，代表与核的相互作用（Z是核的原子序数，α是精细结构常数）。

这项计算非常具有挑战性，但这三个科学家取得了重大进展，他们对电子自能量的两圈计算比之前的计算有了显著改进，这使得氢的1S-2S Lamb位移的频率差减少了2.5 kHz，并且降低了理论不确定性。特别是，这使得Rydberg常数的值降低了一万亿分之一。

Rydberg常数是由瑞典光谱学家Johannes Rydberg在1890年引入的，它出现在氢光谱线的简单方程中。Rydberg常数是物理学中最精确已知的基本常数之一，包含12位有效数字，之前相对不确定性大约是两万亿分之一。

这项研究不仅提高了我们对Lamb位移数值精度的理解，还扩展了对低核电荷[Z]的计算能力。这对于Rydberg常数有影响，也对其他著名的QED计算有影响，比如对Lamb位移的其他两圈修正，以及对电子和μ子的异常磁矩的两圈QED效应，也就是它们的“g因子”。目前，实验物理学家们正在投入大量努力精确测量μ子的g因子，比如费米实验室的Muon g-2实验，因为这可能指向超出标准模型的物理学。

这项研究的意义不仅仅在于它提高了我们对基本常数的测量精度，更在于它为我们提供了一个更精确的工具，去探索和理解宇宙的基本规律。这就像是我们有了更精确的尺子，能够更细致地测量和理解我们周围的世界。随着这些常数的精确度不断提高，我们对物理世界的理解也将不断深化，也许有一天，我们能够揭开更多宇宙的奥秘。

参考文献：

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来源：人工智能学家