看不见的氦原子为基础理论提供了极其灵敏的检验

　　亚稳氦玻色-爱因斯坦凝聚物机。图片来源：Tracey Nearmy，澳大利亚国立大学
　　澳大利亚国立大学的物理学家已经开发出有史以来最灵敏的方法来测量原子的势能（在焦耳的十分之一十分之一内 - 或10-35焦耳），并用它来验证物理学中检验最成熟的理论之一——量子电动力学（QED）。
　　本周发表在《 科学》杂志上 的这项研究依赖于在氦原子不可见的情况下找到激光的颜色，并且是以前用于测试QED的方法的独立证实，这些方法涉及测量从一种原子能状态到另一种原子能状态的转变。
　　＂这种隐形只适用于特定的原子和特定颜色的光——所以它不能被用来制作哈利·波特用来研究霍格沃茨黑暗角落的隐形斗篷，＂主要作者布莱斯·汉森（Bryce Henson）说，他是澳大利亚国立大学物理研究学院的博士生。
　　＂但我们能够用它来研究QED理论的一些黑暗角落。
　　＂我们希望能够赶上QED，因为理论和实验之间以前存在一些差异，但它以相当好的分数通过了。
　　量子电动力学（QED）是在20世纪40年代后期开发的，描述了光和物质如何相互作用，将量子力学和爱因斯坦的狭义相对论结合起来，这种方式已经成功了近八十年。
　　然而，QED理论需要一些改进的暗示来自质子大小的测量差异，这些差异在2019年得到了解决。
　　大约在这个时候，澳大利亚国立大学博士学者布莱斯·汉森（Bryce Henson）在一个非常敏感的实验中注意到了微小的振荡，该实验是在一种称为玻色 - 爱因斯坦凝聚物的超冷原子云上进行的。
　　他以创纪录的精度测量了振荡的频率，发现原子和激光之间的相互作用改变了频率，因为激光的颜色是变化的。
　　他意识到这种效应可以非常准确地确定精确的颜色，其中原子根本不与激光相互作用，振荡保持不变 - 换句话说，实际上变得不可见。
　　通过将极高分辨率的激光器和原子冷却到绝对零度（80纳开尔文）以上800亿分之一度的组合，该团队在能量测量中实现了比原子能量低5个数量级的灵敏度，约为10–35焦耳，或约10的温差-13开尔文度。
　　＂这太小了，我想不出任何现象可以与之相比 - 它离天平的尽头太远了，＂汉森说。
　　通过这些测量，该团队能够推断出氦气的隐形颜色的非常精确的值。为了将他们的结果与QED的理论预测进行比较，他们求助于武汉中国科学院的Li-Yan Tang教授和加拿大温莎大学的Gordon Drake教授。
　　以前使用QED的计算比实验的不确定性要小，但是随着新的实验技术将准确性提高了20倍，理论家必须迎接挑战并改进他们的计算。
　　在这次探索中，他们非常成功 - 将他们的不确定性提高到最新实验不确定性的1/40，并挑选出QED对原子隐形频率的贡献，该频率是实验不确定性的30倍。理论值仅略低于实验值，是实验不确定度的1.7倍。
　　国际合作的负责人，来自澳大利亚国立大学物理研究学院的Ken Baldwin教授表示，对实验的改进可能有助于解决这种差异，但也将磨练出一种非凡的工具，可以阐明QED和其他理论。
　　＂用于精确测量的新工具通常会推动理论理解的重大变化，＂鲍德温教授说。