量子電動(dòng)力學(xué)(QED)是描述光和物質(zhì)之間相互作用的量子場(chǎng)論，它是目前最成功的物理理論之一，能夠解釋很多現(xiàn)象，比如光電效應(yīng)、康普頓散射、氫原子光譜等。QED也能夠預(yù)測(cè)一些非常微妙和精確的效應(yīng)，比如真空極化、反物質(zhì)、量子反常等。為了驗(yàn)證QED的正確性和精確度，物理學(xué)家們需要進(jìn)行高精度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，并與理論計(jì)算進(jìn)行比較。

原子氫是一個(gè)很好的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，因?yàn)樗亲詈?jiǎn)單的原子，只有一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子。它也是第一個(gè)被量子力學(xué)解釋的系統(tǒng)，能夠產(chǎn)生出著名的巴爾末系列光譜線。原子氫的能級(jí)結(jié)構(gòu)可以用玻爾模型來(lái)描述，但是如果考慮到相對(duì)論效應(yīng)、自旋-軌道耦合、量子漲落等因素，就需要用QED來(lái)修正。其中一個(gè)重要的修正就是超精細(xì)結(jié)構(gòu)，它是由于原子核和電子之間存在磁偶極相互作用和電四極相互作用而產(chǎn)生的能級(jí)分裂。超精細(xì)結(jié)構(gòu)可以用拉曼效應(yīng)或塞曼效應(yīng)來(lái)觀察，也可以用拉姆齊光譜來(lái)測(cè)量。

拉姆齊光譜是一種利用共振射頻場(chǎng)來(lái)激發(fā)原子躍遷的技術(shù)，它由諾貝爾獎(jiǎng)得主Norman Ramsey發(fā)明于1949年。它可以用來(lái)測(cè)量原子能級(jí)之間非常小的頻率差異，比如超精細(xì)結(jié)構(gòu)或超精細(xì)間隔。拉姆齊光譜的基本原理是將原子束通過(guò)兩個(gè)相同頻率但相位不同的射頻場(chǎng)之間的空區(qū)域（叫作自由漂移區(qū)），然后在出口處檢測(cè)原子束中不同能級(jí)上原子的相對(duì)數(shù)量。通過(guò)調(diào)節(jié)射頻場(chǎng)之間的相位差或者自由漂移區(qū)域的長(zhǎng)度，可以得到一個(gè)共振峰，其位置就對(duì)應(yīng)于所測(cè)量的能級(jí)間隔。

最近，由科羅拉多州立大學(xué)的Dylan Yost教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)利用拉姆齊光譜的技術(shù)，測(cè)量了原子氫第一激發(fā)態(tài)（2S）的超精細(xì)分裂。他們得到了一個(gè)比以前實(shí)驗(yàn)更精確8倍的結(jié)果，與量子電動(dòng)力學(xué)的理論預(yù)測(cè)一致。論文已經(jīng)發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

Yost教授團(tuán)隊(duì)使用了拉姆齊光譜來(lái)測(cè)量原子氫2S態(tài)（第一激發(fā)態(tài)）上兩個(gè)超精細(xì)分裂態(tài)之間( 2S_1/2,F=0和2S_1/2,F=1 ）之間的頻率差異。他們首先用激光將氫原子從基態(tài)（1S）激發(fā)到2S態(tài)，并在自由漂移區(qū)域內(nèi)讓其衰變到基態(tài)。然后他們用兩個(gè)射頻場(chǎng)分別對(duì)準(zhǔn)2S_1/2 F=0和2S_1/2 F=1兩個(gè)態(tài)，并在出口處用另一個(gè)激光探測(cè)2S態(tài)上原子數(shù)量隨時(shí)間變化情況。

他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)射頻場(chǎng)之間有一個(gè)特定相位差時(shí)，2S態(tài)上原子數(shù)量會(huì)出現(xiàn)最大值或最小值，這就表明了兩個(gè)超精細(xì)分裂態(tài)之間發(fā)生了共振躍遷。通過(guò)擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，他們得到的超精細(xì)間隔的值比以前最好的實(shí)驗(yàn)更精確8倍，并且與QED理論計(jì)算非常吻合。這說(shuō)明了Yost教授團(tuán)隊(duì)的這種方法更有效更準(zhǔn)確，這個(gè)實(shí)驗(yàn)也為未來(lái)更高精度地測(cè)試QED提供了可能性。

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)展示了QED在描述光和物質(zhì)相互作用方面的強(qiáng)大能力，并為進(jìn)一步探索物理學(xué)中更深層次和更微妙問(wèn)題奠定了基礎(chǔ)。