澳大利亚国立大学的物理学家开发了一种有史以来最灵敏的测量原子势能的方法(其精度在10的负35次方焦耳内)，并用它来验证了在物理学中最能受考验的理论之一：量子电动力学(QED)。

上周发表在《科学》杂志上的这项研究依赖于发现了让氦原子不可见的激光颜色，并且对先前用于测试QED的方法进行了独立的证实，这些方法包含对从一种原子能态到另一种原子能态的跃迁的测量。

澳大利亚国立大学物理研究学院的学生、论文主要作者、博士生Bryce Henson说：“这种隐形只适用于特定的原子和特定颜色的光，所以它不能用来制造哈利波特用来调查霍格沃茨魔法学院里黑暗角落的隐形斗篷。”

他接着说道：“但我们能够用来研究QED理论的一些黑暗角落。我们希望能赶的上QED，因为之前的方法在理论和实验之间存在一些差异，但它还是以相当不错的成绩通过了。”

量子电动力学(QED)是在1940年代后期开发的，它描述了光和物质是如何相互作用的，并结合了量子力学和爱因斯坦的狭义相对论，这种方法在近80年来一直很成功。然而，有迹象表明QED理论需要一些改进，这主要来自于测量质子大小时的差异，这些差异在2019年基本上得到了解决。

大约在这个时候，澳大利亚国立大学博士、学者Bryce Henson在一项非常敏感的实验中注意到了一些微小的振荡，他的实验是在被称为玻色-爱因斯坦凝聚物的超冷原子云上进行的。

他以创纪录的精度测量了振荡的频率，并发现随着激光颜色的变化，原子和激光间的相互作用会改变振荡的频率。他意识到可以利用这种效应，来非常准确地确定让原子完全不与激光发生相互作用并且振荡保持不变的精确颜色——换句话说，原子实际上会变得不可见。

通过将有超高分辨率的激光与冷却到绝对零度以上十亿分之一度(80纳开尔文)的原子相结合，该团队在能量测量中实现了要比原子能量低5个数量级的灵敏度，大约是10的负35次方焦耳范围。

通过这种测量，该团队能够非常精确的推断出氦的不可见颜色的值。为了将他们的结果与QED的理论预测进行比较，他们求助了武汉中科院的Li-Yan Tang教授和加拿大温莎大学的Gordon Drake教授。

以前使用QED的计算要比实验具有更少的不确定性，但是随着新的实验技术将精度提高了20倍，理论物理学家不得不迎接挑战并改进他们的计算。

在这项探索中，他们取得了非常大的成功，他们将这种不确定性提高到了仅是最新实验不确定性的1/40，并特别指出了QED对原子不可见频率的贡献值是实验不确定性的30倍。这实现了理论值仅比实验值略低1.7倍的实验不确定度。

这项国际合作的负责人、澳大利亚国立大学物理研究学院的Ken Baldwin教授表示，改进的实验可能有助于解决这种差异，但也能磨练出一种可以阐明QED和其他理论的非凡工具。Baldwin教授说：“用于精确测量的新工具通常会推动理论见解产生的重大变化。”（编译:Qtech）