森蕓欣

雙縫實(shí)驗(yàn)（Double-SlitExperiment）是物理學(xué)中最著名的實(shí)驗(yàn)之一，最初由英國(guó)學(xué)者ThomasYoung于1801年進(jìn)行，因其以驚人簡(jiǎn)單的方式揭示了一個(gè)令人費(fèi)解的現(xiàn)實(shí)而聞名：光同時(shí)以粒子和波的形式存在。更詭異的是，這兩種形象永遠(yuǎn)無(wú)法同時(shí)出現(xiàn)——一旦你看到光的粒子性，波動(dòng)性就立刻消失，反之亦然。

經(jīng)典做法是把光束射向一塊開有兩條平行狹縫的屏，再在遠(yuǎn)處的第二塊屏上觀察圖樣。如果光只是粒子，應(yīng)出現(xiàn)兩條簡(jiǎn)單重疊的亮斑；可實(shí)際上出現(xiàn)的是明暗相間的干涉條紋，像兩圈水波交匯。更離奇的是，一旦你想測(cè)量光子到底穿過(guò)哪條縫，干涉條紋立刻消失，光開始表現(xiàn)得像粒子。

（來(lái)源：維基百科）

這個(gè)實(shí)驗(yàn)也曾是愛因斯坦和尼爾斯·玻爾友好論戰(zhàn)的焦點(diǎn)。

1927年，愛因斯坦提出：一個(gè)光子應(yīng)該只穿過(guò)兩條狹縫中的一條，并在此過(guò)程中對(duì)該狹縫產(chǎn)生一個(gè)微弱的作用力，就像一只鳥飛過(guò)時(shí)扇動(dòng)了一片樹葉。他提出，人們可以檢測(cè)到這種作用力，同時(shí)也能觀察到干涉圖樣，從而同時(shí)捕捉到光的粒子和波本質(zhì)。作為回應(yīng)，玻爾運(yùn)用量子力學(xué)的不確定性原理，證明了檢測(cè)光子路徑的行為將會(huì)抹去干涉圖樣。

此后，科學(xué)家做過(guò)多次雙縫實(shí)驗(yàn)，都在不同程度上支持了玻爾的量子理論。

近日，麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家完成了一次近乎“理想化”的雙縫實(shí)驗(yàn)，他們以原子級(jí)精度，再次揭示了光既是波又是粒子的雙重卻又不可兼得的本質(zhì)，也順便證明愛因斯坦在這次量子爭(zhēng)論中確實(shí)錯(cuò)了。

研究成果發(fā)表在PhysicalReviewLetters期刊。論文第一作者VitalyFedoseev，與HanzhenLin、Yu-KunLu、YooKyungLee、JiahaoLyu等同屬M(fèi)IT物理系、電子研究實(shí)驗(yàn)室及MIT–哈佛超冷原子中心。

雙縫實(shí)驗(yàn)的新變體

他們把實(shí)驗(yàn)精簡(jiǎn)到量子本質(zhì)——用單個(gè)原子做狹縫，并用極弱光束確保每個(gè)原子最多散射一個(gè)光子。通過(guò)將原子制備到不同量子態(tài)，他們可精確控制原子對(duì)光子路徑信息的獲取量。結(jié)果再次驗(yàn)證量子理論：獲取的路徑信息越多（粒子性越明顯），干涉條紋的可見度就越低。

實(shí)驗(yàn)直接展示了愛因斯坦錯(cuò)在哪里：只要原子被經(jīng)過(guò)的光子“輕輕碰了一下”，波的干涉就立即減弱。

“愛因斯坦和玻爾做夢(mèng)也想不到，我們竟能用單個(gè)原子和單個(gè)光子完成這樣的實(shí)驗(yàn)，”MIT物理學(xué)JohnD.MacArthur講席教授、團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人WolfgangKetterle說(shuō)。

研究小組對(duì)原子和分子進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。他們將原子和分子超冷卻到接近絕對(duì)零度的溫度，并用激光將它們排列成特定構(gòu)型并“囚禁”起來(lái)。在這些經(jīng)過(guò)精心調(diào)諧的超冷原子云中，只在量子尺度、單原子層面才會(huì)出現(xiàn)的奇異現(xiàn)象便會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。

在最近的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)正在研究一個(gè)看似無(wú)關(guān)的問(wèn)題：光散射如何能揭示由超冷原子構(gòu)建的材料的特性？

“我們意識(shí)到，可以量化這種散射過(guò)程在多大程度上像粒子或像波，”Fedoseev說(shuō)，“我們很快意識(shí)到，可以應(yīng)用這種新方法，以一種非常理想化的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)?！?/p>

在這項(xiàng)新研究中，團(tuán)隊(duì)使用了超過(guò)10,000個(gè)原子，并將它們冷卻到微開爾文（microkelvin）溫度。他們使用一列激光束，將這些冷凍的原子排列成間距均勻、類似晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。在這種排列中，每個(gè)原子與其他原子之間的距離足夠遠(yuǎn)，以至于每個(gè)原子都能有效地被視為單個(gè)、孤立且完全相同的原子。與單個(gè)或幾個(gè)原子相比，一萬(wàn)個(gè)這樣的原子能產(chǎn)生更容易檢測(cè)到的信號(hào)。

研究小組推斷，利用這種排列方式，他們可以射入一束弱光穿過(guò)這些原子，并觀察單個(gè)光子是像波還是像粒子一樣從兩個(gè)相鄰的原子上散射開來(lái)。這類似于在原始雙縫實(shí)驗(yàn)中，光穿過(guò)兩條狹縫的情形。

“我們所做的可以看作是雙縫實(shí)驗(yàn)的一個(gè)新變體，”Ketterle說(shuō)，“這些單個(gè)原子就像是你能建造的最小的狹縫?！?/p>

波粒二象性的關(guān)鍵開關(guān)

在單光子水平上開展實(shí)驗(yàn)，需要重復(fù)多次，并使用超靈敏探測(cè)器來(lái)記錄從原子散射的光的圖案。通過(guò)檢測(cè)到的光的強(qiáng)度，研究人員可以直接推斷出光是表現(xiàn)為粒子還是波動(dòng)。

他們特別關(guān)注一半光子表現(xiàn)為波動(dòng)、另一半表現(xiàn)為粒子的情況。通過(guò)調(diào)整原子的“模糊度”（即原子位置的確定性），從而改變光子表現(xiàn)為波與粒子的概率，并實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)處于激光光束中的10,000個(gè)原子，都可以通過(guò)調(diào)整激光的強(qiáng)度來(lái)收緊或放松對(duì)原子的束縛。原子束縛得越松，就越“模糊”，或者說(shuō)在空間上越“彌散”。越模糊的原子更容易被擾動(dòng)，從而記錄下光子的路徑。因此，通過(guò)調(diào)高原子的模糊度，研究人員可以增加光子表現(xiàn)出粒子行為的概率。他們的觀察結(jié)果與理論描述完全一致。

在實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)測(cè)試了愛因斯坦關(guān)于如何探測(cè)光子路徑的想法。從概念上講，如果每個(gè)狹縫都刻在一張用彈簧懸掛在空氣中的極薄紙上，那么穿過(guò)其中一個(gè)狹縫的光子應(yīng)該會(huì)使相應(yīng)的彈簧產(chǎn)生一定程度的振動(dòng)，這種振動(dòng)將是光子粒子性的信號(hào)。在以往的雙縫實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)中，物理學(xué)家們引入了類似彈簧的元素，而彈簧在描述光子的波粒二象性方面發(fā)揮了重要作用。

然而，Ketterle及其同事們能夠在沒(méi)有“彈簧”的情況下完成實(shí)驗(yàn)。團(tuán)隊(duì)的原子云最初是通過(guò)激光光束固定的，這類似于愛因斯坦設(shè)想的由彈簧懸掛的狹縫。研究人員推測(cè)，如果他們?nèi)サ簟皬椈伞?，并觀察到完全相同的現(xiàn)象，那么這就表明彈簧對(duì)光子的波粒二象性沒(méi)有任何影響。

事實(shí)證明，他們的發(fā)現(xiàn)正是如此。在多次實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中，他們關(guān)閉了固定原子的類似彈簧的激光，然后在百萬(wàn)分之一秒內(nèi)迅速進(jìn)行測(cè)量，這比原子變得更模糊并最終因重力而落下的時(shí)間要短得多。在這極短的時(shí)間內(nèi)，原子實(shí)際上是在自由空間中漂浮的。在這種無(wú)彈簧的情境下，團(tuán)隊(duì)觀察到了相同的現(xiàn)象：光子的波性和粒子性不能同時(shí)被觀測(cè)到。

“在許多描述中，彈簧都起著重要作用。但我們表明，彈簧在這里并不重要；重要的是原子的模糊度，”Fedoseev說(shuō)，“因此，必須使用更深刻的描述方法，這種方法利用光子和原子之間的量子關(guān)聯(lián)?！?/p>

為紀(jì)念量子力學(xué)誕生（1925年）100周年，聯(lián)合國(guó)宣布2025年是“國(guó)際量子科學(xué)技術(shù)年”，而玻爾和愛因斯坦關(guān)于雙縫實(shí)驗(yàn)的討論發(fā)生在1927年?！霸趹c祝量子物理學(xué)的同一年，我們能夠幫助澄清這一歷史爭(zhēng)議，這真是太美妙的巧合了，”共同作者Lee表示。

https://news.mit.edu/2025/famous-double-slit-experiment-holds-when-stripped-to-quantum-essentials-0728

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