清大研究質子變小 震撼物理界

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清大物理系副教授劉怡維（左）及博士生高政揚（右）參與的國際研究團隊，發現質子半徑比目前所知小了百分之四，可能改寫物理教科書，研究成果榮登頂尖期刊Nature封面。 記者侯永全／攝影

上周發行的國際頂尖期刊「自然（Nature）」，封面取材的研究，震撼全球物理學界，這項由清華大學物理學系副教授劉怡維研究團隊參與的國際計畫發現，質子半徑比目前所知還小了約百分之四、體積小百分之十二。

清大校長陳力俊指出，這項發現很可能改變「量子電動力學」、動搖號稱「最精確的物理常數」－「雷德堡常數」，物理教科書也可能因此改寫。
質子、中子和電子是構成原子的三種主要粒子，質子和中子組成原子核，電子圍繞著核外的軌道運行。劉怡維表示，氫原子構造簡單，原子核只是一個質子、外面繞一個電子，所以也是量子物理最好的研究對象。

二○○一年劉怡維加入六個國家、十二個研究機構、卅二位科學家合作的研究團隊。他們以「渺子」（帶負電，比電子重兩百倍的「短命電子」，生命期只有百萬分之二秒）取代原本氫原子的電子；再用這種叫「奇異氫原子」（exotic hydrogen atom）的粒子研究。劉怡維解釋，渺子能比電子接近質子兩百倍，更能「感覺」到質子大小。

過去也有很多人做過類似研究，但都不成功，可是劉維怡參加的研究團隊透過特製雷射和新型的渺子束測量渺子軌道特性，進而決定質子半徑，去年七月終於有了結果。

劉怡維說，他們測得的質子半徑為零點八四一八四飛米（一飛米等於十的負十五次方，相當於一千兆分之一），誤差範圍為零點零零七四飛米，比以往實驗的精確度提高十倍。

劉怡維指出，質子「變小」意味著「百年來的原子物理必須重新檢討」，可以說是「物理學產生了破洞」，最近已經引發許多頂尖物理學家研究、討論，大家紛紛想著要怎麼「把這個破洞補起來」。另外，號稱最精確的物理理論－「量子電動力學」和號稱最精確的物理常數、計算原子能級用的「雷德堡常數」也可能要重新檢驗。