本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
早在2010年，物理学家就被一项实验结果弄糊涂了，该实验使用一种奇异的氢形式来测量质子的半径。结果明显小于预期：小了 0.00000000000003 毫米。也许这看起来并不那么重要，但在亚原子尺度上，这却是巨大的——8-sigma 的差异，或者用普通人的术语来说大约是 4%。
不仅仅是物理学家喜欢尽可能精确地测量所有事物，精确到小数点后多位。质子的大小与量子电动力学 (QED) 的某些预测有关，量子电动力学是描述光与物质相互作用的理论，如果这个奇怪的结果无法解决，可能意味着 QED 中遗漏了一些东西。无论如何，此后的各种实验都试图解决这个难题，但收效甚微——神秘的质子收缩仍然是一个令人困惑的异常现象，这是物理学家在丹佛举行的 APS 四月会议上最新实验结果中报告的。
我曾经公开倡导玻尔原子模型，当与几乎没有物理学背景的普通观众交谈时，我认为在玻尔模型中，电子在原子核周围以圆形轨道运动。但现在的情况是，玻尔模型根本行不通。你真的需要量子力学对原子的描述才能理解质子收缩之谜的重要性。从技术上讲，电子实际上并没有在原子核周围的轨道上“运动”。电子实际上是波（尽管当你进行实验以确定其位置时，它们会表现为粒子），而这些波是静止的。
关于支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
当然，你可以查看电子的位置，但每次你这样做时，它都会出现在不同的位置——不是因为它在移动，而是因为状态的叠加。电子在你看它并且波函数坍缩之前没有固定的位置。（如果你进行大量测量并绘制电子的各种位置，最终你会得到一个幽灵般的轨道状图案。）所以电子可以位于这个区域内的任何位置——包括质子内部，这听起来很奇怪。
鉴于以上所述，谈论质子的半径到底是什么意思？质子由三个带电夸克组成，它们通过强核力结合在一起。然而，麻省理工学院的扬·伯纳尔在丹佛举行的 APS 新闻发布会上解释说：“质子不是坚硬的外壳，它像云一样模糊。”“你如何描述云的半径？”嗯，你可能会谈论云中水分子的密度。质子半径与之类似，只不过在这种情况下，我们谈论的是电荷密度的分布。质子半径是电荷密度降至某个能量阈值以下的距离。
一旦你确定了如何定义它，你到底该如何测量这个半径？你可以使用电子。物理学家通常通过散射电子或研究原子能级之间的差异（称为兰姆位移，以威利斯·兰姆命名，他于 1947 年首次测量了这种位移，并最终于 1955 年因其工作获得诺贝尔奖）来探测质子半径（在本例中为氢原子）。这是已故的汉斯·贝特谈论兰姆位移
“物理学家可以通过观察电子与质子的相互作用来测量质子的大小。围绕质子运行的单个电子只能占据某些离散的能级，这些能级由量子力学定律描述。其中一些能级部分取决于质子的大小。”
阿贡国家实验室物理学家约翰·阿林顿表示，有很多技术可以做到这一点。有电子散射，这是一种通用的工具，可以让物理学家在不同的尺度上探测事物；在高能量下，它非常适合测量夸克和胶子，而在低能量下，它非常适合探测质子的结构。还有光谱技术，其中使用激光照射样品，产生可以通过光谱仪分析的特征谱线。光谱学有很多不同的种类，具体取决于使用的激光类型以及实验旨在测量的具体内容。就质子半径而言，电子和μ子光谱学是最有用的。
阿林顿表示，为了解决质子收缩之谜，物理学家迄今为止使用了电子散射 [0.8770(60)]、电子光谱 [0.8758(77)] 和μ子光谱，其中电子被其更重的同胞μ子 [0.8409(4)] 取代，以测量半径。正是后者的μ子光谱结果存在问题。希望使用μ子散射的实验能够填补数据空白，并最终帮助解决这个难题。
“假设质子是一个带电球，电子在质子中跳舞，”马克斯·普朗克量子光学研究所的兰道夫·波尔说，他是 2010 年原始光谱测量以及最新确认结果的物理学家之一。“当它位于质子中心时，它会受到来自四面八方的电荷的同等吸引，因此质子和μ子之间没有净吸引力。这会使整个能态向上移动。这就是我们通过激光光谱法观察到的效应，当我们测量两个能级之间的差异时：当电子在质子内部和外部时。”换句话说，他们正在测量兰姆位移。
波尔的实验使用了μ子氢，其中围绕原子核运行的电子实际上是μ子，电子的更重同胞。μ子几乎重 200 倍，这意味着它的轨道要小得多，并且它在质子内部的概率要高得多——事实上，可能性高出 1000 万倍。这意味着作为一种测量技术，它的灵敏度提高了 1000 万倍，因为它更靠近质子。
“我们原以为会测量到与之前实验相同的半径 [与之前的实验相同]，但不确定性更小，”波尔坦言。相反，他们发现质子半径明显小于之前的所有测量值，而最新的结果只是再次证实了 2010 年的发现。
“物理学就像解一道拼图，”伯纳尔说。“我们有一些碎片，我们找到新的连接碎片来扩展我们的知识。但这一部分不太合适。”一种可能性是结果是由于实验误差或 QED 理论的误用造成的。如果是这种情况，那也不是一个小错误；波尔和他的同事们花费了数年时间检查和重新检查数据。
或者，也许物理学家需要对底层 QED 理论进行一些调整，以解释这些异常结果。虽然 QED 仍然是正确的，但μ子的特性可能存在一些细微的差异，需要加以考虑
最后，还有最令人兴奋——因此也是最不可能的——解释：这是由于超出标准模型的新物理学造成的，甚至可能是超对称理论预测的“超对称粒子”的间接证据。或者可能存在另一种力载体来增强光子。这些尚未探测到的假想粒子可能会改变μ子和质子之间的相互作用。
然而，“最无聊的解释是最有可能的：有人搞砸了实验，”波尔说。“我想看到更多数据，然后再声称存在超出标准模型的东西。”但是，即使在完成更多实验后，这种差异仍然存在，“那么我也会感到兴奋。”
参考文献:
Antognini, Anton 等人。(2013) “μ子氢的 2S-2P 跃迁频率测量中的质子结构”，科学 339(6118): 417-420。
Distler, Michael O.、Bernauer, Jan C. 和 Walcher, Thomas。(2011) “质子的 RMS 电荷半径和 Zemach 矩”，物理快报 B 696:343-347。
Lamb, Willis E.; Retherford, Robert C. (1947). “微波法测定氢原子的精细结构”，物理评论 72 (3): 241–243。
Pohl, R. 等人。(2010) “质子的大小”，自然 466, 213-217。
Pohl, Randolf 等人。(2013)。“μ子氢和质子半径之谜”，提交给核粒子科学年评，2013 年 1 月 5 日。