اورانیوم و گذار لمب در آن

نظریه كوانتومی برهم‌كنش نور و ذرات باردار، یا الكترودینامیك كوانتومی (QED)، نظریه بنیادین شناخت اتم‌ها و پایه نظریه‌هایی است كه برهم‌كنش كوارك‌ها (كرودینامیك كوانتومی) و همچنین نیروی هسته‌ای ضعیف را توضیح می‌دهد. اتم هیدروژن كه در آن الكترونی منفرد در قید پروتونی منفرد است، به طور دقیق در QED توصیف می‌شود. اما این نظریه هنگمی كامل خواهد بود كه همین طور بتواند اتم اتم اورانیوم را كه در آن الكترون‌ها در قید میدان الكتریكی بسیار نیرومند‌تر حاصل از هسته‌ای با بار 92 قرار دارند، توصیف كند. آزمودن QED در مورد اورانیوم خنثی كاری دشوار است، زیرا اثرات QED در انبوه برهم‌كنش‌های عادی هر یك از الكترون‌ها با 91 الكترون دیگر گم می‌شود.
چنانچه قسمت اعظم الكترون‌های اورانیوم را از آن جدا كنیم، تفسیر آزمایش آسان‌تر می‌شود. به تازگی با استفاده از یون‌های اورانیوم، آزمایشی انجام شده است كه در آن در هر یون تنها دو الكترون باقیمانده بود و بقیه الكترون‌ها از اتم 92 الكترونی كنده شده بود. در این آزمایش، زمان متوسط یك گذار خود به خود بین دو تراز اتمی اندازه‌گیری شد. این زمان نسبت به اختلاف انرژی ترازها، و در نتیجه نسبت به سهم QED در این اختلاف انرژی، حساسیت زیادی دارد. انتقال ترازهای انرژی اتم را در اثر الكترودینامیك كوانتومی، انتقال لمب می‌نامند (به افتخار ویلیس لمب كه نخستین بار این انتقال را در هیدروژن اندازه‌گیری كرد). برای ترازهای انرژی مورد نظر در اورانیوم دو الكترونی، محاسبه نشان می‌دهد كه سهم اثرات QED بالغ بر 20% اختلاف انرژی ترازهاست و بخش عمده‌ای از اختلاف انرژی باقیمانده مربوط به سهم برهم‌كنش عادی میان دو الكترون است. از آنجا كه تنها دو الكترون در یون اورانیوم باقی مانده است، می‌توان سهم اثرات QED و غیر QED را به طور دقیق محاسبه كرد.
برای تهیه اورانیوم‌های دو الكترونی، یون‌های اورانیوم را كه با سرعتی معادل نصف سرعت نور در حركت‌اند، از یك برگه فلزی به ضخامت كاغذ می‌گذرانند. اورانیوم و اتم‌های دیگر در سرعت‌های نسبیتی، با استفاده از بوالاك در آزمایشگاه لارنس بركلی تهیه می‌شود – بوالاك از تركیب یك شتاب‌دهنده خطی یون سنگین (سوپر – هیلاك) و یك سنكروترون (بواترون) كه پشت سرهم قرار گرفته‌اند، تشكیل شده است. تولید اورانیوم (یا هر اتم دیگری) كه تمام الكترون‌هایش از آن جدا شده باشد، با استفاده از بوالاك امكان‌پذیر است.
در این آزمایش، هم برای كندن الكترون‌ها از اتم و هم برای قرار دادن اورانیوم دو الكترونی در تراز اتمی مورد نظر، از برگه فلزی استفاده می‌شود. ضمن عبور اورانیوم از برگه، تراز اتمی در طی مسیر واپاشیده می‌شود و پرتوهای ایكسی گسیل می‌كند كه شدت آن برحسب فاصله عبور در برگه، به طور نمایی كاهش می‌یابد.
اندازه‌گیری كاهش نمایی، متوسط زمان گذار را به دست می‌دهد كه از اینجا می‌توان اختلاف انرژی ترازها را تعیین كرد. این آزماش مقدار انتقال لمب را در اورانیوم با دقت 12% به دست داده است كه با پیش بینی‌های QED سازگاری دارد. در آزمایش‌های آینده كه با باریكه‌هایی با شدت بیشتر انجام خواهد شد، شاید بشود دقت اندازه‌گیری انتقال لمب را در اورانیوم به 1ر0% رساند.
الكترودینامیك كوانتومی توصیف كاملی از برهم‌كنش ذرات باردار و نور به دست می‌دهد. اما یك وقتی قوانین نیوتون هم توصیفی كامل از گرانش به دست می‌داد و تنها پدیده توجیه نشده همان پیش‌روی بی‌هنجار حضیض عطارد، یعنی سیاره مقید در قوی‌ترین میدان گرانشی قابل مطالعه بود. پس ممكن است كه با بررسی الكترون مقید در قوی‌ترین میدان الكتریكی موجود نیز با پدیده‌های توجیه نشده روبه‌رو شویم.