氦是元素周期表中的第二号元素，也是最簡單的多體原子。僅僅依靠物理學基本常數和量子電動力學（QED）理論，就可以對氦原子的能級結構進行極高精度的計算求解。因此，以氦原子為平台，可以高精度地檢驗QED理論。而QED描述了從微觀粒子到宏觀固體中都廣泛存在的電磁相互作用的量子性質，是目前物理學中最為精确的基礎理論。

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近日，中國科技大學孫羽博士、胡水明教授在《國家科學評論》上綜述了氦原子的精密譜實驗和理論計算，并對基于氦原子精密譜，來測定精細結構常數、氦同位素核半徑、以及檢驗QED等的相關進展和焦點問題進行了評述。

測定精細結構常數、檢驗QED

氦原子的精密測量和理論計算各自都有近百年的發展曆史。20世紀60年代，理論學家發現氦原子23P能級的精細結構分裂（23P0-23P2）是可用以測定精細結構常數α（約等于1/137）的最好的原子體系。将基于氦原子的α測量值與其它方法測定的α值進行對比，也是對物理學内在自洽性的一個極好檢驗。

經過50年、幾代人的努力，目前，加拿大溫莎大學的Drake教授和波蘭華沙大學的Pachucki教授分别用不同的計算方法，已經把氦原子的QED修正計算到了α的7次幂級數。

不同方法測量精細結構常數

國際上多個科研機構都開展了氦原子精密測量的實驗工作。作者介紹了不同實驗團隊的近期測量結果，其中也包括作者團隊的一些結果，如氦-4原子2S-2P躍遷頻率、23P0-23P2精細結構分裂值等，都是目前精度最好的實驗結果。

氦原子23P能級精密測量結果

目前氦原子的計算理論精度受限于十分複雜的α的8次方階的QED修正。要探索和解決這一問題，一方面可能通過理論發展，另一方面也可能通過其他類氦離子的精密測量來實現。這将成為對QED的一個極為嚴格的檢驗。

還有其他……

氦原子的精密測量還影響着一系列其他的重要研究。

氦原子光譜可以實現對He原子核半徑的測定。而目前氦-3、氦-4核半徑之差的測量結果間還存在明顯的偏離。這一偏差的原因還未得到解釋，該問題的解決将對“質子半徑之謎”等基礎問題提供重要的參考。

理論上，還可精确計算氦原子極化率，并推導出氦氣體折射率。由于氣體折射率可通過光學方法精密測量，這可成為一個光學測定氣體密度（壓力）的計量基準方法。相關的技術方法研究已經在美國NIST、德國PTB等單位開展，作者研究團隊也承擔了相關技術方法的國内攻關研究。

從小小的氦原子出發，我們可以加深對許多基礎物理問題的認識，還可能探索超越标準模型的“新物理”。

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