它簡單到只有一個電子，想怎么運動就怎么運動。它復雜到難倒多位諾貝爾獎得主，一百多年都無法看清它的真面目。1913年，玻爾（1922年諾貝爾獎得主）對氫原子的光譜進行了理論上的描述。接著，從薛定諤（1933年諾貝爾獎得主），到狄拉克（1933年諾貝爾獎得主），最終是Feynman-Schwinger-Tomonaga（1965年3位諾貝爾獎得主），量子力學等相關理論使氫原子的光譜得到了不斷完善。對于每種狀態，氫原子的量子能級結構可以描述為能量E，它取決于量子數n、l和j，并且是三項之和:E(n,l,j)=EBohrf(mp,me)+ENS(rp,n,l)+EQED(n,l,j) （1）其中，EBohr代表玻爾結構，f(mp，me)是涉及質子質量mp和電子質量me的小修正；ENS描述核尺寸效應，EQED代表QED修正。EBohr與里德伯常數R∞成正比。ENS解釋了電子穿透擴展質子的內部區域，它受到不同于通常庫倫力的吸引力。1）原子光譜測量法：這種方法的原理是，當電子圍繞一個小原子核旋轉時，可以觀察到電子在能級之間的躍遷。利用光譜精確測量各電子能級之間的差距，據此推算rp。能級間隔的測量也包括兩種不同方式：（1）測量1S-2S的間隔。因為2S的上限存在約1秒鐘，不受海森堡測不準原理的影響，達到15位數的精度，是目前最精確的方式。多年來，不同的研究團隊測量了從長壽命2S到ns、nP或nD狀態(稱為Rydberg狀態)的躍遷，這些測量在統計上被認為是獨立的，通過平均值以獲得一組R∞和rp值。（2）測量蘭姆位移(2S-2P分裂)，這種方法最初由蘭姆和盧瑟福于1948年提出，后來得到不斷改進。2）電子散射測量法。這種方法的原理是，電子被射向質子，質子的電荷半徑由電子被質子反彈或散射后的路徑變化決定。盡管這種核物理方法需要對零動量散射矢量進行復雜的外推，但是可以完全獨立地確定質子的大小。2010年之前，科學家通過以上方法測得的質子半徑都是0.877 fm。直到2010年，德國馬普所原子物理學家Randolf Pohl等人發展了一種改進的原子光譜測量方法。他們通過對μ介子氫(μ介子取代電子)的測量，發現質子半徑大約是0.84 fm，比之前的數值小了大約4%，遠遠超出了它們的誤差范圍。（注：1 fm=10-15 m）因為物理學的標準模型假設，μ介子表現出與電子相同的物理性質(輕子普適性)，除了質量大207倍，容易發生放射性衰變外，μ介子氫(mH)的能級結構應該可以用公式1計算。質量越重使得μ介子與原子核的重疊越多，這就是為什么在0.84 fm得出了非常精確的rp值。于是，科學家通過大量實驗重新測量了蘭姆位移、激發到4P里德堡態、電子-質子散射，所有這些都發現rp的值確實是0.84 fm。然而，2018年，巴黎索邦大學對1S-3S躍遷的連續波激光實驗，卻依然得到0.877 fm的質子半徑。質子出現了兩個不同的值，使基礎物理一時陷入危機。長達十年的“質子大小之謎”激發了許多新的實驗研究和許多影響深遠的假設理論。不少人對輕子普適性原則和物理標準模型的質疑，試圖打破經典規則，發現全新的物理。右邊顯示的是2010年μ介子氫測量之前質子大小的一致圖片。左側顯示當前一致認可的數據，箭頭表示歷史修正。灰色地帶是科學和技術數據委員會(CODATA)2014年和2018年的建議值。2019年，多個研究團隊分別通過改進的方法1和方法2測量，發現質子半徑在0.83 fm左右，與0.84 fm更加吻合。2020年11月，德國馬克斯·普朗克量子光學研究所Alexey Grinin等人利用光頻梳諾獎技術進行更精確的直接頻率梳激光實驗，通過1S-3S躍遷的精確測量，確定質子半徑就是0.84 fm，為解決質子大小的爭議再一次提供了關鍵證據。科學的一個關鍵特征在于，科學是可證偽的。科學追求真理，無限接近真理，但階段性的科學成果始終不能完全代表真理。[1] Alexey Grinin, et al. Two-photon frequency comb spectroscopy of atomic hydrogen, Science, 2020, 370, 6520: 1061-1066.DOI: 10.1126/science.abc7776https://science.sciencemag.org/content/370/6520/1061[2] Wim Ubachs. Crisis and catharsis in atomic physics, Science, 2020, 370, 6520: 1033.DOI: 10.1126/science.abf0589https://science.sciencemag.org/content/370/6520/1033
