科学家们迷恋精准。他们可以把地球与月亮之间的距离测得十分精确，误差在几厘米以内；也能将遥远的脉冲星的自旋周期测得十分精确，其精度已经达到毫秒级。然而，想把近在眼前的原子测量得足够精确，却很困难。就拿每个原子核中都有的质子来说，它是一团带有正电荷的物质，物理学家们花了大半个世纪想弄清楚它的大小，但却遇到了重重阻力。各种互相矛盾的测量结果更让研究人员们百思不得其解。如今，加拿大约克大学的科学家对质子又做了一系列精确的测量，结果或许能让这道谜题得以解答。

质子非常小，直径不到两万亿分之一米。想要知道它的尺寸，我们需要特殊的测量技巧。一种方法是朝着氢原子发射电子束，电子被反弹回来的角度取决于氢原子核（也就是一个质子）的大小。另一个策略则是利用频谱仪，这是一种测量物体在不同频率下的辐射强度的仪器。科学家们将氢原子的电子从一个能级激发到另一个能级，同时仔细地追踪驱动这一跃迁过程所需的辐射能量，也即通常说的“能隙”。恰好，能隙的大小取决于质子的大小。

20世纪50年代，两种测量方法给出的结果让人们倾向于认为质子的半径为0.88飞米（1飞米等于10-15米）。不过，2010年，德国马普量子光学研究所的兰道夫·波尔（Randolf Pohl）带领一些研究人员，尝试了不同的办法。他们依然用到了频谱仪，但却选择了“μ子化”的氢原子。也就是说，围绕氢原子核的不再是电子，而是μ子。μ子的质量是电子的200倍，能更紧密地环绕在质子周围，其能级也对质子的大小更为敏感，因此测量结果可以更精确。此外，实验还精心选择了与质子尺寸最相关的跃迁过程，也就是从第一激发态到第二激发态的过程（这个过程也被称作兰姆位移）。波尔和他的团队最终测得的质子半径为0.84飞米。这一结果落在了之前的估计范围之外，使他们倍感意外。

波尔给出的结果让人们非常困惑。到底是早先的实验都有问题？还是质子与μ子的相互作用会使质子的性质发生改变，不同于被电子环绕的情况？如果是后一种情况，可能就有新的突破。这种思路暗示着一种全新的物理过程在发挥作用。为此，人们或许需要调整所谓的“标准模型”。

“数据中的差异令人感到兴奋。”戴维·纽厄尔（David Newell）说道。他是美国国家标准技术研究所的物理学家，主要研究如何精确测量普朗克常数（这是另一个在原子物理中扮演着关键角色的数值）。

当然，这些差异也引起了埃里克·埃塞尔斯（Eric Hessels）的关注。埃塞尔斯在约克大学工作，他也带领着一批科学家，试图测得更加精确的质子半径数据。大约10年前，当波尔第一次在研讨会上展示他的结果时，埃塞尔斯正好在场。埃塞尔斯决定把波尔的研究结果当作一项自我挑战，他要亲自重复这项实验。于是，埃塞尔斯研究了完全一样的跃迁过程，只不过他恢复使用了普通的氢原子。看起来，无论结果如何，对普通氢原子中兰姆位移的精确测量，都能得到有意思的结果：如果现在的结论与早期结论一致，那么确实有可能存在尚未被发现的新物理（因为这说明μ子化过程确实改变了质子的性质）；如果得到的结果和波尔的一致，也能更好地佐证质子大小的问题，解决一个延续了数十年的谜题。

为了寻找这一答案，埃塞尔斯花了8年时间 。“这项测量比我预期中的更难，”他说，“甚至比我们实验室之前做过的任何工作都难。”埃塞尔斯利用射频辐射激发氢原子，准确记录下驱动与兰姆位移相关的电子跃迁的辐射频率。最终，他的团队得到的质子半径为0.833飞米，误差范围为正负0.010飞米——与波尔的测量值相吻合。《科学》杂志刊登了他们的实验结果。

埃塞尔斯的实验装置只占用了多伦多约克校园中的一个房间，相比之下，大型强子对撞机是一个周长27千米的巨型设施。原来，在这样一个“大科学”时代，我们仍有可能在桌面实验中得到举足轻重的成果。物理学家或许可以在这项实验中感到一丝安慰。

至于为什么早期实验给出的质子半径偏大，我们还不太清楚。一些研究人员认为，之前的实验可能存在未被考虑的误差。当然，也有人认为这其中是一种全新的物理过程在发挥作用。不过，在埃塞尔斯的工作后，这种可能性明显已经不大了。

一项发表于《自然》的研究通过另一种测量方法（质子-电子散射），测出了全新的质子半径数据。这个结果与埃塞尔斯的结论相吻合。

（边际）