Лэмбовский сдвиг

Экспериментально установлен У. Ю. Лэмбом (Willis Lamb) и Р. Ризерфордом в 1947 году[2]. В том же году теоретически объяснён Хансом Бете.

В 1955 году за свою работу Уиллис Юджин Лэмб был удостоен Нобелевской премии[3][4].

В 1938 году расчёты, по существу предсказывающие лэмбовский сдвиг, провёл Д. И. Блохинцев, но его работа была отклонена редакцией журнала ЖЭТФ и была опубликована лишь в 1958 году в трудах Д. И. Блохинцева[5].

Определённый вклад вносят также эффекты движения и внутренней структуры ядра.

Результатом взаимодействия атома с нулевыми колебаниями электромагнитного поля (вакуумные флуктуации поля) являются дополнительные «колебания» электрона, что проявляется в смещении уровня энергии электрона. Это явление называется лэмбовским сдвигом[6]. Другими словами, сдвиг энергии обусловливается нулевыми флуктуациями, т. е. не равными нулю среднеквадратичными значениями напряжённостей электрического (E) и магнитного (B) полей, под действием которых электрический заряд оказывается эффективно как бы размазанным. Это уменьшает действие кулоновского потенциала и повышает уровень энергии s-состояний[7].

Эффекты, связанные с поляризацией вакуума, т. е. с рождением электрон-позитронных пар, дают относительно малый вклад в лэмбовский сдвиг[8].

В работе 1983 года[9] измерение лэмбовского сдвига было выполнено при помощи двойного атомного интерферометра. Было получено значение 1057,8514(19) МГц.

Ещё более сильное, чем в атоме водорода, электромагнитное взаимодействие происходит между электронами и ядрами тяжёлых атомов. Исследователи из лаборатории GSI (Дармштадт, Германия) пропускали пучок атомов урана (зарядовое число 92) через фольгу, в результате чего атомы теряли все, кроме одного, из своих электронов, превращаясь в ионы с зарядом +91. Электрическое поле между ядром такого иона и оставшимся электроном достигало величины 1016 В/см. Измеренный лэмбовский сдвиг в ионе составил 468 ± 13 эВ — в согласии с предсказаниями квантовой электродинамики[10].

Лэмб экспериментально получил значение магнитного момента электрона, которое отличается в 1,001159652200 раза от значения магнетона Бора, предсказанного Дираком. Когда была создана теория перенормировок, лэмбовский сдвиг оказался первым физическим эффектом, на котором подтвердилась её правильность (и, соответственно, правильность квантовой электродинамики, построенной с использованием этой перенормировки). Вычисленное новое теоретическое значение оказалось равно 1,001159652415 магнетона Бора, что поразительно точно совпадает с экспериментом.

Оценим величину лэмбовского сдвига, исходя из классического уравнения движения электрона под воздействием нулевых колебаний электромагнитного поля в вакууме[6]:

Размеры области, по которой изменяются координаты электрона, определяются величиной

Вследствие влияния нулевых колебаний выражение для потенциальной энергии взаимодействия электрона с ядром вместо выражения