15年来，物理学界一直被一个微小的数据偏差折磨。

这个偏差只有0.000000000000035毫米。

按照常理，这么小的误差完全可以忽略。但它暗示现代物理学最成功的理论存在漏洞，宇宙中可能藏着从未被发现的新力量。

质子是氢原子核，也是宇宙中最常见的原子核。长期以来，物理学界公认的质子半径是0.876飞米，一飞米等于一千万亿分之一米，比你能想到的任何微小尺度还要再小几个量级。这个数字是无数次实验的平均结果，大家用了几十年，相安无事。

2010年，德国马克斯·普朗克量子光学研究所的一组物理学家打破了这份平静。他们把氢原子里的电子换成了缪子。缪子是电子的重量级兄弟，质量是电子的近200倍，其他性质几乎一模一样。质量大意味着缪子绕质子运行的轨道小得多，与质子贴得更近，对质子尺寸的感知灵敏度比电子高出1000万倍。

这组物理学家本以为会测出差不多的数字，只是误差更小。结果测出来的质子半径是0.841飞米，比公认值小了0.035飞米。0.035飞米听起来微不足道，但它偏离公认值达到5个标准差，在统计学上意味着几乎不可能是巧合。

物理学界一下子兴奋起来。最刺激的可能性是：电子和缪子感知到的质子大小不同，暗示着超出现有理论框架的新物理。粒子物理的标准模型统治了半个世纪，任何能撬动它的实验结果都是大新闻。当然，也可能是实验误差，或者量子电动力学的计算在某个环节出了纰漏。但“新物理”三个字太有诱惑力了。

接下来的十几年，全球多个实验室反复测量，结果却越来越混乱。2013年，同一个团队用缪子再次实验，测出0.84飞米，偏差扩大到7个标准差。2016年，他们把缪子塞进氘原子（氢的重同位素，多了一个中子），结果仍然指向较小的值。可用普通氢原子做的实验就没这么干脆了：2017年的一项研究支持小值，2018年的另一项又倒向了大值。

2019年，加拿大约克大学的团队用电子直接测量，得到0.833飞米，站到了小值阵营。天平开始倾斜，但还不够决定性。

今年，两篇论文分别发表在《自然》和《物理评论快报》上，给出了迄今最精确的测量。两组实验都用氢原子在真空腔中进行，用激光操控电子在不同能级之间跳跃，通过跃迁频率反推质子的电荷半径。这像是在听一台极其精密的乐器，只凭音高差异，倒推出琴箱大小。《物理评论快报》的结果精度是2019年的3倍，《自然》的结果又在此基础上再翻一倍，达到了5.5个标准差的确信度。两篇论文的结论一致：质子半径约为0.84飞米。

《自然》团队用测量值反过来检验标准模型的预测，精度达到万亿分之0.7。

他们没有发现任何偏差。没有发现任何新粒子或新作用力的迹象。

15年前那次轰动性的测量并没有错，错的是更早期那些精度不够的旧实验给出的偏大数值。参与《物理评论快报》论文的美国科罗拉多州立大学物理学家迪伦·约斯特说，这对发现新物理来说是个坏消息，但人类把对标准模型的检验推到了万亿分之一的精度，本身就是几十年理论和实验积累的成果。

参与《自然》论文的美国加州大学伯克利分校物理学家洛塔尔·迈森巴赫说，这是质子半径之谜棺材上的最后一颗钉子。

质子还是那个质子，只是我们终于把它量准了。

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图为2013年用量子显微镜拍摄的氢原子电子轨道图像，图源：Axel Beyer/MPQ

信源：Jennifer Ouellette, "Physicists think they've resolved the proton size puzzle", Ars Technica, 14 Apr. 2026