科學人 發行日期:2014/03 刊號:145
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質子半徑的量子問題

撰文/伯諾爾(Jan C. Bernauer)波爾(Randolf Pohl) 翻譯/高涌泉

 重點提要
■一項測量質子半徑的新實驗發現,質子比預期來得小。
■這個情況意味著物理學家若不是不夠深入了解質子,就是還不夠澈底了解目前最精準的科學理論——量子電動力學。
■我們希望,這個較小的質子半徑數值能夠導致物理定律從根本進行修訂。


精確測量質子半徑的兩項實驗,得到了完全不一樣的數值,到底是量子電動力學仍不完備,還是我們忽略了什麼?

 

如果你一直以為科學家已經很了解質子,沒人能指責你錯得太離譜,因為質子畢竟是宇宙中物質最主要的成份、恆星熔爐的燃料。質子所帶的正電拉住了帶負電的電子而形成氫原子,在一個世紀前,對於這種現象的研究開啟了量子力學革命;現代物理學家則可以設法讓超高能量的質子對撞來產生像希格斯粒子這種奇異的東西。

但是對於質子的最新研究卻讓我們大吃一驚。我們兩人(伯諾爾與波爾)以及各自的實驗團隊,用了兩項互補的實驗,對於質子半徑做了至今最精確的測量。在實驗開始之初,我們以為所得到的結果只會讓已知質子大小的精確性提高一些而已,但是我們錯了。測得的質子半徑和已知半徑相差很大,這個差值是任一測量誤差量的五倍以上,意味著發生這種巧合的機率將小於10^-6。

因此一定有什麼地方不對勁,若不是我們還不夠充份理解質子,不然就是我們並不了解這些質子精密測量實驗所使用的物理原理。我們進入宇宙深處,卻看到了異常現象,因此有很大的機會可以得知一些新東西。

欠缺的移位

我們的故事起於義大利的聖塞扶羅島,數十位物理學家在這座島上會面,討論的主題是如何更嚴格地檢驗物理學中(甚至於可說是一切科學中)最精確的理論——量子電動力學(quantum electrodynamics, QED)。

QED的歷史可追溯至1928年,當時狄拉克(P.A.M. Dirac)結合了量子力學與狹義相對論而得到今天所謂的狄拉克方程式。這是電磁現象的最佳理論,因為它可以完整描述光與物質如何交互作用。一個例子是,QED可以用物理定律與基本常數(譬如電子質量)來說明原子結構。也因為如此,物理學家便利用簡單的原子如氫原子來檢驗QED。他們能夠從理論去預測實驗的結果,誤差不超過10-12,實驗誤差也差不多就是這麼大。

我們兩人在聖塞扶羅島首次碰面。那時我們為了增進對於QED的了解,都正著手測量質子。當時對於質子最精密的測量來自某種實驗技術,伯諾爾的實驗改進了這種實驗技術,已經開始要探究質子的內部結構。

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