量子電動力學(xué)（QED）是描述光和物質(zhì)之間相互作用的量子場論，它被認(rèn)為是現(xiàn)代物理學(xué)中最精確的理論之一。但是，這個說法主要是基于在相對低場強、輕原子和離子的領(lǐng)域進(jìn)行的非常精確的研究。在非常強的電磁場、最重的高電荷離子（核電荷Z遠(yuǎn)大于1）的領(lǐng)域，QED計算進(jìn)入了一個不同的、非微擾的區(qū)域。然而，相應(yīng)的實驗研究非常具有挑戰(zhàn)性，理論預(yù)測也只是部分得到了驗證。

一篇最近發(fā)表在《自然》雜志上的論文，報道了一項敏感的實驗，能夠檢測高階QED效應(yīng)和高Z區(qū)電子-電子相互作用的影響。這是通過使用一種基于多參考方法的多普勒調(diào)諧X射線發(fā)射實驗實現(xiàn)的，實驗使用了不同電荷態(tài)的相對論性鈾離子。這些鈾離子被儲存在一個重離子儲存環(huán)（ESR）中，可以產(chǎn)生高能量和高品質(zhì)的X射線光束。

實驗測量了最重的兩電子離子（U90 ）中的一個內(nèi)殼層躍遷的能量，即1s1/22p3/2 J = 2 → 1s1/22s1/2 J = 1躍遷，精度達(dá)到了37 ppm。此外，通過比較不同數(shù)目的束縛電子的鈾離子的類似躍遷的能量，實驗?zāi)軌蚍蛛x并分別測試單電子高階QED效應(yīng)和束縛電子-電子相互作用項，而不受核半徑的不確定性的影響。此外，實驗結(jié)果還能夠區(qū)分幾種最先進(jìn)的理論方法，并為強場區(qū)域的計算提供了一個重要的基準(zhǔn)。

為了更好地理解這項實驗，我們需要先了解一些基本的概念和原理。首先，我們需要知道什么是QED，以及它為什么是一個成功的理論。QED是一種將量子力學(xué)和相對論結(jié)合起來的理論，它能夠解釋光和物質(zhì)之間的相互作用，比如光的吸收和發(fā)射、光的散射和衍射、光的偏振和干涉等現(xiàn)象。QED的基本思想是，光和物質(zhì)之間的相互作用是通過交換虛光子來實現(xiàn)的。虛光子是一種短暫存在的粒子，它們遵守不確定性原理。虛光子的能量和壽命的乘積不能超過普朗克常數(shù)，因此它們只能在極短的時間和距離內(nèi)存在。

虛光子的交換可以用費曼圖來表示，費曼圖是一種用直線和波浪線來表示粒子和光子的運動和相互作用的圖形工具。這個過程可以用一個數(shù)學(xué)公式來描述，稱為散射振幅，它表示了這個過程發(fā)生的概率幅。散射振幅的計算需要用到一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)技巧，比如微擾論、重整化、規(guī)范不變性等。

QED的一個重要特征是，它是一個重整化的理論，它能夠消除一些無窮大的項，使得理論的預(yù)測有意義。QED的另一個重要特征是，它是一個規(guī)范不變的理論，它不依賴于任何特定的坐標(biāo)系或參考系，而是滿足一些對稱性原理。QED的一個重要結(jié)果是，它能夠給出一些物理量的非常精確的值，比如電子的磁矩、電子的反常磁矩、電子的電荷半徑、電子的質(zhì)量、電子的電荷等。這些物理量的理論值和實驗值之間的一致性達(dá)到了前所未有的水平，從而證明了QED的有效性和正確性。

然而，QED并不是一個完美的理論，它也有一些局限性和困難。一個主要的局限性是，QED只能夠描述光和物質(zhì)之間的相互作用，而不能夠描述其他的基本相互作用，比如強相互作用、弱相互作用和引力相互作用。為了解決這個問題，物理學(xué)家提出了一種更廣泛的理論，稱為標(biāo)準(zhǔn)模型，它能夠?qū)ED和其他兩種相互作用統(tǒng)一起來，形成一個自洽的框架。

標(biāo)準(zhǔn)模型是目前最成功的物理理論之一，它能夠解釋幾乎所有的高能物理實驗的結(jié)果，包括最近發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子。然而，標(biāo)準(zhǔn)模型也不能夠描述引力相互作用，因為引力相互作用是一個非線性的、非重整化的、非規(guī)范不變的理論，它和QED以及其他相互作用之間存在著不可調(diào)和的矛盾。為了解決這個問題，物理學(xué)家正在尋找一種更完善的理論，稱為量子引力理論，它能夠?qū)⒁ο嗷プ饔煤推渌嗷プ饔媒y(tǒng)一在一個量子框架中。

另一個QED的局限性是，它只能夠描述在相對低場強、輕原子和離子的領(lǐng)域的物理現(xiàn)象，而不能夠描述在非常強的電磁場、最重的高電荷離子的領(lǐng)域的物理現(xiàn)象。在這樣的領(lǐng)域，QED的計算變得非常復(fù)雜，因為需要考慮高階的QED效應(yīng)，比如真空極化、自能修正、輻射修正等。這些效應(yīng)會導(dǎo)致一些非常微妙和有趣的現(xiàn)象，比如蘭姆位移、電子云的收縮、電子的質(zhì)量的增加、電子的電荷的屏蔽等。為了計算這些效應(yīng)，需要用到一些先進(jìn)的理論方法，比如相對論性多體微擾論、相對論性耦合簇方法、相對論性多配置Dirac-Fock方法等。這些方法都需要用到大量的數(shù)值計算，而且有時候還需要做一些近似和假設(shè)，因此它們的結(jié)果之間可能存在一些差異和不確定性。

為了檢驗這些理論方法的有效性和準(zhǔn)確性，需要進(jìn)行一些精密的實驗，能夠測量高階QED效應(yīng)和高Z區(qū)電子-電子相互作用的影響。然而，這樣的實驗非常具有挑戰(zhàn)性，因為需要產(chǎn)生和控制高電荷離子，以及測量它們的光譜。目前，有幾種實驗技術(shù)可以用來實現(xiàn)這樣的目的，比如電子束離子阱（EBIT）、重離子儲存環(huán)（ESR）、自由電子激光（FEL）等。其中，ESR是一種非常有效的工具，它能夠儲存和冷卻高能量的高電荷離子，同時提供高分辨率的X射線光譜測量。ESR的一個優(yōu)點是，它能夠利用多參考方法，也就是說，它能夠同時測量不同電荷態(tài)的相同原子核的光譜，從而消除核半徑的不確定性的影響，而只關(guān)注電子的效應(yīng)。這樣，就可以更清楚地區(qū)分和測試單電子高階QED效應(yīng)和束縛電子-電子相互作用項，以及它們的符號和大小。

在論文中，作者使用了ESR來測量最重的兩電子離子（U90 ）中的一個內(nèi)殼層躍遷的能量，即1s1/22p3/2 J = 2 → 1s1/22s1/2 J = 1躍遷，精度達(dá)到了37 ppm。這個躍遷的能量受到高階QED效應(yīng)和高Z區(qū)電子-電子相互作用的影響，因此可以用來檢驗理論的預(yù)測。作者還通過比較不同數(shù)目的束縛電子的鈾離子的類似躍遷的能量，實現(xiàn)了多參考方法，從而消除了核半徑的不確定性的影響。作者發(fā)現(xiàn)，他們的實驗結(jié)果和幾種最先進(jìn)的理論方法之間存在著一些差異，這些差異可能源于理論方法的近似和假設(shè)，或者實驗方法的系統(tǒng)誤差。作者認(rèn)為，這些差異為強場區(qū)域的計算提供了一個重要的基準(zhǔn)，也為未來的實驗和理論的改進(jìn)提供了一個動力。