氦，小原子中的大物理

来源：中国科学杂志社

氦是元素周期表中的第二号元素，也是最简单的多体原子。仅仅依靠物理学基本常数和量子电动力学（QED）理论，就可以对氦原子的能级结构进行极高精度的计算求解。因此，以氦原子为平台，可以高精度地检验QED理论。而QED描述了从微观粒子到宏观固体中都广泛存在的电磁相互作用的量子性质，是目前物理学中最为精确的基础理论。

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近日，中国科技大学孙羽博士、胡水明教授在《国家科学评论》上综述了氦原子的精密谱实验和理论计算，并对基于氦原子精密谱，来测定精细结构常数、氦同位素核半径、以及检验QED等的相关进展和焦点问题进行了评述。

测定精细结构常数、检验QED

氦原子的精密测量和理论计算各自都有近百年的发展历史。20世纪60年代，理论学家发现氦原子23P能级的精细结构分裂（23P0-23P2）是可用以测定精细结构常数α（约等于1/137）的最好的原子体系。将基于氦原子的α测量值与其它方法测定的α值进行对比，也是对物理学内在自洽性的一个极好检验。

经过50年、几代人的努力，目前，加拿大温莎大学的Drake教授和波兰华沙大学的Pachucki教授分别用不同的计算方法，已经把氦原子的QED修正计算到了α的7次幂级数。

不同方法测量精细结构常数 

国际上多个科研机构都开展了氦原子精密测量的实验工作。作者介绍了不同实验团队的近期测量结果，其中也包括作者团队的一些结果，如氦-4原子2S-2P跃迁频率、23P0-23P2精细结构分裂值等，都是目前精度最好的实验结果。

氦原子23P能级精密测量结果

目前氦原子的计算理论精度受限于十分复杂的α的8次方阶的QED修正。要探索和解决这一问题，一方面可能通过理论发展，另一方面也可能通过其他类氦离子的精密测量来实现。这将成为对QED的一个极为严格的检验。

还有其他……

氦原子的精密测量还影响着一系列其他的重要研究。

氦原子光谱可以实现对He原子核半径的测定。而目前氦-3、氦-4核半径之差的测量结果间还存在明显的偏离。这一偏差的原因还未得到解释，该问题的解决将对“质子半径之谜”等基础问题提供重要的参考。

理论上，还可精确计算氦原子极化率，并推导出氦气体折射率。由于气体折射率可通过光学方法精密测量，这可成为一个光学测定气体密度（压力）的计量基准方法。相关的技术方法研究已经在美国NIST、德国PTB等单位开展，作者研究团队也承担了相关技术方法的国内攻关研究。

从小小的氦原子出发，我们可以加深对许多基础物理问题的认识，还可能探索超越标准模型的“新物理”。