量子涨落的现实早在1947年就得到了证明

如果你花足够的时间听理论物理学家的话，就会开始听起来像是他们居住着两个独立的世界。

1. 真实的、实验和观察的世界，充满了数量和属性，我们可以通过足够的设置进行高精度测量。

2. 它背后的理论世界，充满了深奥的计算工具，这些工具可以模拟现实，但只能用数学术语来描述它，而不是纯粹的物理术语。

最明显的例子之一是虚拟粒子的概念。从理论上讲，既有存在于我们的实验中并且可以测量的真实粒子，也有存在于所有空间中的虚拟粒子，包括空白空间（没有物质）和被占用的（包含物质的）空间。虚拟粒子不会出现在我们的探测器中，不会与真实粒子碰撞，也无法直接看到。作为理论家，我们经常告诫不要过于认真地对待虚拟粒子的类比，指出它们只是一种有效的计算工具，而且在我们的生活现实中，没有实际的粒子「对」突然出现。

然而，虚拟粒子确实以重要的、可测量的方式影响着现实世界，事实上，它们的效应早在1947年就被发现，当时理论家甚至还没有意识到它们的必要性。这是一个非凡的故事，讲述了我们如何证明量子涨落必须是真实的，并且对我们测量的世界产生真正的影响，甚至在我们理解它们背后的理论之前。

想象一下最简单的原子：氢原子。在许多方面，这是量子理论的「试验场」，因为它是宇宙中最简单的系统之一，由一个带正电的质子和一个与之结合的电子组成。是的，质子很复杂，因为它本身是由夸克和胶子结合在一起的，但出于原子物理学的目的，它通常可以被视为具有一些量子特性的点粒子：

当电子与质子结合时，它会形成一个中性氢原子，整个系统的静止质量比自由质子和自由电子的总和略小。如果你把一个中性氢原子放在天平的一侧，把一个自由电子和自由质子放在另一个尺寸上，你会发现中性原子轻了大约2.4×10 -35 kg：一个微不足道的数额，但仍然是一个非常重要的数目。

这种微小的质量差异来自这样一个事实，即当质子和电子结合在一起时，它们会释放出能量。发射的能量以一个或多个光子的形式出现，因为只有有限数量的明确能级是允许的：氢原子的能谱。当最初激发的电子通过各种能级向下级联时，最终过渡到（最终）允许的最低能态（称为基态），光子被释放出来，该光子的能量、频率和波长由电子在跃迁前后占据的不同能级决定。

如果你要捕捉从自由质子和自由电子向下过渡到基态氢原子过程中发射的所有光子，你会发现总是释放出完全相同的总能量：13.6电子伏特，或者说可以将一个电子的电势提高13.6伏特的能量。这种能量差正是自由电子和质子与束缚基态氢原子之间的质量等价差，你可以从爱因斯坦最著名的方程中计算出来： E = mc² 。

根据支配宇宙的量子规则，原子中的束缚电子与自由电子有很大不同。

事实上，我们之所以称它为「量子物理学」，正是源于这种现象：束缚粒子可以占据的能级是量子化的，并且只能以遵守束缚态规定的数学规则的特定量出现。

然而，处于基态的电子——记住，最低能量状态——不会在特定时间出现在特定位置，就像围绕恒星运行的行星那样。相反，计算电子的概率分布更有意义：在任何特定时刻在特定位置找到电子的几率，在空间和时间上平均。请记住，量子物理学本质上与经典物理学不同：你无法准确测量粒子的位置和运动方式，而只能知道这两种属性的组合，以达到某种特定的、有限的精度。更精确地测量一个本质上会导致对另一个的了解不那么精确。

因此，我们最好不要把电子看作是一个粒子，当它处于氢原子中时，而应该是一个「概率云」或其他一些类似的模糊可视化。对于最低能量状态，电子的概率云看起来像一个球体：你最有可能在离质子中间距离的地方找到它，但你有可能在很远的地方甚至在中心找到它：在质子本身内。然而，在你进行关键测量之前，更准确地用概率来描述电子的特性：占据一组具有特定概率振幅的值，而不是在任何时刻都有特定的位置和动量。

换句话说，决定其能量的不是电子在任何时刻的位置;相反，它是电子所占据的能级，它决定了每次进行测量时你最有可能和最不可能找到那个电子的相对概率。

但是，您可能找到电子与质子之间的平均距离与原子内电子的能级之间存在关系。这是尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）的重大发现：电子占据离散的能级，在他的简化模型中，这些能级对应于与原子核的特定距离的倍数。

玻尔模型对于确定电子可以占据的氢原子的各个层次之间的跃迁能量非常有效。如果你有一个处于第一激发态的电子，它可以向下跃迁到基态，在这个过程中发射出一个光子。基态只有一个电子可以占据的可能轨道：1S 轨道，它是球形对称的。该轨道最多可以容纳两个电子：一个自旋为 +1/2，另一个自旋为 -1/2，与质子的自旋对齐或反对齐。在氢原子的基态（第一能级）状态下，电子没有其他可能性。

但是当你跳到第一个激发态时，现在电子可以占据多个轨道，这对应于我们大多数人在元素周期表上熟悉的排列。

这些能级在玻尔1913年的模型之前就已经知道了，可以追溯到巴尔默1885年对光谱线的研究。到1928年，狄拉克提出了第一个包括电子和光子在内的量子力学相对论理论，表明——至少在理论上——如果它们之间的自旋或轨道角动量不同，那么应该对这些能级进行校正：例如，在各种3D和3P轨道之间通过实验确定的校正。（您可以在上图中直观地看到这一点，因为 3,1,0 和 3,1,1 对应于 3P 轨道，而 3,2,0、3,2,1 和 3,2,2 对应于 3D 轨道。

然而，在玻尔和狄拉克的理论中，2S 轨道和 2P 轨道中的电子应该具有相同的能量。是吗？几十年来我们一直不知道，因为直到1947年威利斯·兰姆（Willis Lamb）和罗伯特·雷瑟福德（Robert Retherford）进行了一个非常聪明的实验，我们才对此进行了测量。

他们所做的是在基态（1S）中制备一束氢原子，然后用电子撞击该束，使一些原子达到2S状态。在正常情况下，这些 2S 电子需要很长时间（几百毫秒）才能过渡回 1S 状态，因为你必须发射两个光子（而不仅仅是一个）来防止你的电子经历被禁止的自旋跃迁。或者，您可以将这些激发的原子与一块钨箔碰撞，这会导致具有 2S 电子的原子去激发，从而发出可检测的辐射。

另一方面，处于 2P 状态的电子应该跃迁得更快：在大约 ~1 纳秒内，因为它们只需要发射一个光子进行量子跃迁，并且没有量子规则禁止发射一个这样的光子。兰姆和雷瑟福德使用的聪明技巧是添加一个可以调谐的谐振器，用电磁辐射轰击现在激发的电子。当电磁频率刚好达到1 GHz以上时，一些被激发的氢原子立即开始发射光子（在纳秒内），去激发回到1S状态。

在正确的频率下，可探测到的辐射立即下降是一个巨大的惊喜，提供了强有力的证据，证明这些原子已被激发到2P状态，而不是2S状态。

想想这意味着什么：如果没有这种额外的辐射，被激发的电子只会进入2S状态，永远不会进入2P状态。只有加入载能辐射，才能将电子从2S态诱导到2P态。这意味着额外的辐射必须被电子吸收，并且额外的能量吸收将它们从 2S 状态「提升」到 2P 状态。

如果你还没有意识到的话，其含义是惊人的。尽管我们理解了玻尔、狄拉克和量子理论的预言，但 2P 态的能量与 2S 态的能量不同。2P状态的能量略高——今天被称为 兰姆位移 ——这是兰姆和雷瑟福德的工作清楚地证明的实验事实。目前尚不清楚为什么会这样。

一些人认为它可能是由核相互作用引起的;事实证明这是错误的。其他人则认为真空可能会变得两极分化，但这也是错误的。

相反，正如 汉斯·贝特（Hans Bethe ）在那年晚些时候首次展示的那样，这是因为原子的所有能级都是 通过电子与他所谓的「辐射场」的相互作用而改变 的，这只能在量子场论中正确解释，例如量子电动力学。由此产生的理论发展带来了现代量子场论，以及与虚拟粒子的相互作用——量化「辐射场」效应的现代方法——提供了兰姆在1947年测量的确切效应，包括正确的符号和大小。

量子场本身存在着固有的非零能量：包括来自电动力学的辐射场、来自强核力的色动力学场以及来自弱核力的弱场。在我们的计算中，它们表现为出现在费曼图中的虚拟粒子。它们不容忽视，它们的影响在被预测之前就已经被首次测量了：1947年，通过兰姆班。

Lamb-Retherford实验的结果足以证明量子涨落的真实效应的存在。我们可以这样概念化它：原子本身始终存在，它施加电磁力，即库仑力，它控制静电吸引力。电磁场中的量子涨落导致其位置的电子涨落，这导致平均库仑力与没有这些量子涨落时的平均库仑力略有不同。由于 2S 和 2P 轨道的几何形状略有不同，这些量子涨落——表现为来自原子中带电粒子的虚拟光子——对轨道的影响不同，导致了今天已知的 兰姆位移 物理现象。

可以肯定的是，束缚电子的位移和自由电子的位移之间肯定存在差异，但即使是自由电子也注定要与量子真空相互作用。无论你走到哪里，你都无法逃脱宇宙的量子本质。今天，氢原子是量子物理学规则最严格的试验场之一，它为我们提供了精细结构常数的测量值—— α ——优于1,000,000分之一。宇宙的量子性质不仅延伸到粒子，也延伸到场。这不仅仅是理论;我们的实验已经证明了这一不可避免的现实超过四分之三个世纪。