使用类氦铀在极端场中测试量子电动力学

量子电动力学（QED）是描述光和物质之间相互作用的量子场论，它被认为是现代物理学中最精确的理论之一。但是，这个说法主要是基于在相对低场强、轻原子和离子的领域进行的非常精确的研究。在非常强的电磁场、最重的高电荷离子（核电荷Z远大于1）的领域，QED计算进入了一个不同的、非微扰的区域。然而，相应的实验研究非常具有挑战性，理论预测也只是部分得到了验证。

一篇最近发表在《自然》杂志上的论文，报道了一项敏感的实验，能够检测高阶QED效应和高Z区电子-电子相互作用的影响。这是通过使用一种基于多参考方法的多普勒调谐X射线发射实验实现的，实验使用了不同电荷态的相对论性铀离子。这些铀离子被储存在一个重离子储存环（ESR）中，可以产生高能量和高品质的X射线光束。

实验测量了最重的两电子离子（U90 ）中的一个内壳层跃迁的能量，即1s1/22p3/2 J = 2 → 1s1/22s1/2 J = 1跃迁，精度达到了37 ppm。此外，通过比较不同数目的束缚电子的铀离子的类似跃迁的能量，实验能够分离并分别测试单电子高阶QED效应和束缚电子-电子相互作用项，而不受核半径的不确定性的影响。此外，实验结果还能够区分几种最先进的理论方法，并为强场区域的计算提供了一个重要的基准。

为了更好地理解这项实验，我们需要先了解一些基本的概念和原理。首先，我们需要知道什么是QED，以及它为什么是一个成功的理论。QED是一种将量子力学和相对论结合起来的理论，它能够解释光和物质之间的相互作用，比如光的吸收和发射、光的散射和衍射、光的偏振和干涉等现象。QED的基本思想是，光和物质之间的相互作用是通过交换虚光子来实现的。虚光子是一种短暂存在的粒子，它们遵守不确定性原理。虚光子的能量和寿命的乘积不能超过普朗克常数，因此它们只能在极短的时间和距离内存在。

虚光子的交换可以用费曼图来表示，费曼图是一种用直线和波浪线来表示粒子和光子的运动和相互作用的图形工具。这个过程可以用一个数学公式来描述，称为散射振幅，它表示了这个过程发生的概率幅。散射振幅的计算需要用到一些复杂的数学技巧，比如微扰论、重整化、规范不变性等。

QED的一个重要特征是，它是一个重整化的理论，它能够消除一些无穷大的项，使得理论的预测有意义。QED的另一个重要特征是，它是一个规范不变的理论，它不依赖于任何特定的坐标系或参考系，而是满足一些对称性原理。QED的一个重要结果是，它能够给出一些物理量的非常精确的值，比如电子的磁矩、电子的反常磁矩、电子的电荷半径、电子的质量、电子的电荷等。这些物理量的理论值和实验值之间的一致性达到了前所未有的水平，从而证明了QED的有效性和正确性。

然而，QED并不是一个完美的理论，它也有一些局限性和困难。一个主要的局限性是，QED只能够描述光和物质之间的相互作用，而不能够描述其他的基本相互作用，比如强相互作用、弱相互作用和引力相互作用。为了解决这个问题，物理学家提出了一种更广泛的理论，称为标准模型，它能够将QED和其他两种相互作用统一起来，形成一个自洽的框架。

标准模型是目前最成功的物理理论之一，它能够解释几乎所有的高能物理实验的结果，包括最近发现的希格斯玻色子。然而，标准模型也不能够描述引力相互作用，因为引力相互作用是一个非线性的、非重整化的、非规范不变的理论，它和QED以及其他相互作用之间存在着不可调和的矛盾。为了解决这个问题，物理学家正在寻找一种更完善的理论，称为量子引力理论，它能够将引力相互作用和其他相互作用统一在一个量子框架中。

另一个QED的局限性是，它只能够描述在相对低场强、轻原子和离子的领域的物理现象，而不能够描述在非常强的电磁场、最重的高电荷离子的领域的物理现象。在这样的领域，QED的计算变得非常复杂，因为需要考虑高阶的QED效应，比如真空极化、自能修正、辐射修正等。这些效应会导致一些非常微妙和有趣的现象，比如兰姆位移、电子云的收缩、电子的质量的增加、电子的电荷的屏蔽等。为了计算这些效应，需要用到一些先进的理论方法，比如相对论性多体微扰论、相对论性耦合簇方法、相对论性多配置Dirac-Fock方法等。这些方法都需要用到大量的数值计算，而且有时候还需要做一些近似和假设，因此它们的结果之间可能存在一些差异和不确定性。

为了检验这些理论方法的有效性和准确性，需要进行一些精密的实验，能够测量高阶QED效应和高Z区电子-电子相互作用的影响。然而，这样的实验非常具有挑战性，因为需要产生和控制高电荷离子，以及测量它们的光谱。目前，有几种实验技术可以用来实现这样的目的，比如电子束离子阱（EBIT）、重离子储存环（ESR）、自由电子激光（FEL）等。其中，ESR是一种非常有效的工具，它能够储存和冷却高能量的高电荷离子，同时提供高分辨率的X射线光谱测量。ESR的一个优点是，它能够利用多参考方法，也就是说，它能够同时测量不同电荷态的相同原子核的光谱，从而消除核半径的不确定性的影响，而只关注电子的效应。这样，就可以更清楚地区分和测试单电子高阶QED效应和束缚电子-电子相互作用项，以及它们的符号和大小。

在论文中，作者使用了ESR来测量最重的两电子离子（U90 ）中的一个内壳层跃迁的能量，即1s1/22p3/2 J = 2 → 1s1/22s1/2 J = 1跃迁，精度达到了37 ppm。这个跃迁的能量受到高阶QED效应和高Z区电子-电子相互作用的影响，因此可以用来检验理论的预测。作者还通过比较不同数目的束缚电子的铀离子的类似跃迁的能量，实现了多参考方法，从而消除了核半径的不确定性的影响。作者发现，他们的实验结果和几种最先进的理论方法之间存在着一些差异，这些差异可能源于理论方法的近似和假设，或者实验方法的系统误差。作者认为，这些差异为强场区域的计算提供了一个重要的基准，也为未来的实验和理论的改进提供了一个动力。