【大纪元2026年04月21日讯】（大纪元记者薛止墨编译报导）氢原子的简单结构，使其成为研究原子结构与相互作用的理想模型。然而，尽管最简单的氢原子仅由一个质子和一个电子组成，物理学家却一直难以精确确定质子的电荷半径。一项于3月23日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters，PRL，也译作物理报导期刊、物理评论快讯）的新研究，提出了一种测量方法，有助于解决过去的一些数据差异。
质子半径之谜
为了更深入地理解宇宙中最重要的基本构成单元之一，数个研究团队致力于利用氢光谱学测量质子的电荷半径——这项参数反映了质子电荷在空间中的分布（注：在核物理中，质子并非一个边界清晰的球体，其“半径”是通过空间电荷密度的二阶矩来定义的）。一些研究团队使用普通氢原子进行实验，另一些则采用一种称为“μ子氢”的氢原子形式。“μ子氢”是一种奇异的氢原子，其结构为带负电的μ子与质子结合，而非电子与质子结合。
从理论上讲，普通氢和“μ子氢”中的质子应具有相同的质子电荷半径。然而，一些实验结果显示，针对“μ子氢”电荷半径的精密测量（与普通氢的测量值大约是0.88飞米）存在差异，其测量值较小（大约是0.84飞米）。这种差异被称为“质子半径之谜”，自2010年首项高精度“μ子氢”光谱实验结果发表以来，便一直困扰着物理学界。
氢原子的超高精度能级跃迁测量
为了更精确地测量质子电荷半径，参与这项新研究的团队利用先进的雷射光谱技术，并借助美国国家标准与技术研究院（NIST）的铯束钟进行频率校准，对氢原子内某些能级跃迁的频率进行了极其精确的测量。这些能级跃迁会受到质子电荷半径的影响。因此，研究团队得以透过这些频率测量结果，计算出更精确的质子电荷半径值，同时也获得了芮得柏频率（Rydberg frequency）——氢原子被电离（从基态移除电子）所需光子的频率——的精确数值，这是描述原子电磁光谱的重要参数。
为此，他们使用了低温的氢原子束，将原子激发至较高的能级，从而能透过光谱学测量其变化。其中有些能级跃迁在过去的实验中从未被测量过。他们克服了多种系统性误差，例如交流与直流“史塔克位移”（Stark shifts，注：原子和分子光谱谱线在外加电场中发生的分裂和位移量）、“都卜勒效应”（Doppler shift，注：是指波源和观察者有相对运动时，观察者接受到波的频率与波源发出的频率并不相同的现象），以及“黑体辐射效应”（blackbody radiation effect，注：指的是物体因自身温度而发出的电磁辐射，这些辐射会影响原子或分子的能阶，使精密光谱测量产生微小偏移）。
研究团队测得的质子电荷半径为0.8433飞米，芮得柏频率为3,289,841,960,252.9千赫，这两项数值都与国际组织CODATA最新公布的标准值（即全球公认、最精确的物理常数官方版本）高度吻合。这些结果也与以“μ子氢”实验所测量得到的较小质子半径一致，包括2010年的首项（高精度“μ子氢”光谱实验）的结果。该结果相较于最初的质子电荷半径值，差异约为4%。
验证新物理学
尽管仍存在一些不确定性——特别是与过去采用不同能级跃迁进行的测量结果之间存在微小差异——但这些结果使科学界越来越倾向认为质子的真实电荷半径应该是较小的那个（约0.84飞米）。
这些经过改进的质子电荷半径与芮得柏常数数值，有助于深化对原子结构与基本常数的理解，并可能对精密测量、量子技术以及新物理学的验证产生影响。研究作者指出，这些结果或许能延伸应用于氘，或用于发现新粒子。◇
（本文参考了phys.org的报导）
责任编辑：李琳#
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