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雙縫實驗（Double-SlitExperiment）是物理學中最著名的實驗之一，最初由英國學者ThomasYoung于1801年進行，因其以驚人簡單的方式揭示了一個令人費解的現(xiàn)實而聞名：光同時以粒子和波的形式存在。更詭異的是，這兩種形象永遠無法同時出現(xiàn)——一旦你看到光的粒子性，波動性就立刻消失，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，再在遠處的第二塊屏上觀察圖樣。如果光只是粒子，應出現(xiàn)兩條簡單重疊的亮斑；可實際上出現(xiàn)的是明暗相間的干涉條紋，像兩圈水波交匯。更離奇的是，一旦你想測量光子到底穿過哪條縫，干涉條紋立刻消失，光開始表現(xiàn)得像粒子。

（來源：維基百科）

這個實驗也曾是愛因斯坦和尼爾斯·玻爾友好論戰(zhàn)的焦點。

1927年，愛因斯坦提出：一個光子應該只穿過兩條狹縫中的一條，并在此過程中對該狹縫產(chǎn)生一個微弱的作用力，就像一只鳥飛過時扇動了一片樹葉。他提出，人們可以檢測到這種作用力，同時也能觀察到干涉圖樣，從而同時捕捉到光的粒子和波本質。作為回應，玻爾運用量子力學的不確定性原理，證明了檢測光子路徑的行為將會抹去干涉圖樣。

此后，科學家做過多次雙縫實驗，都在不同程度上支持了玻爾的量子理論。

近日，麻省理工學院的物理學家完成了一次近乎“理想化”的雙縫實驗，他們以原子級精度，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，也順便證明愛因斯坦在這次量子爭論中確實錯了。

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MIT物理系、電子研究實驗室及MIT–哈佛超冷原子中心。

雙縫實驗的新變體

他們把實驗精簡到量子本質——用單個原子做狹縫，并用極弱光束確保每個原子最多散射一個光子。通過將原子制備到不同量子態(tài)，他們可精確控制原子對光子路徑信息的獲取量。結果再次驗證量子理論：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。

實驗直接展示了愛因斯坦錯在哪里：只要原子被經(jīng)過的光子“輕輕碰了一下”，波的干涉就立即減弱。

“愛因斯坦和玻爾做夢也想不到，我們竟能用單個原子和單個光子完成這樣的實驗，”MIT物理學JohnD.MacArthur講席教授、團隊負責人WolfgangKetterle說。

研究小組對原子和分子進行了實驗。他們將原子和分子超冷卻到接近絕對零度的溫度，并用激光將它們排列成特定構型并“囚禁”起來。在這些經(jīng)過精心調諧的超冷原子云中，只在量子尺度、單原子層面才會出現(xiàn)的奇異現(xiàn)象便會顯現(xiàn)出來。

在最近的一項實驗中，該團隊正在研究一個看似無關的問題：光散射如何能揭示由超冷原子構建的材料的特性？

“我們意識到，可以量化這種散射過程在多大程度上像粒子或像波，”Fedoseev說，“我們很快意識到，可以應用這種新方法，以一種非常理想化的方式來實現(xiàn)這個著名的實驗?！?/p>

在這項新研究中，團隊使用了超過10,000個原子，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、類似晶體的點陣結構。在這種排列中，每個原子與其他原子之間的距離足夠遠，以至于每個原子都能有效地被視為單個、孤立且完全相同的原子。與單個或幾個原子相比，一萬個這樣的原子能產(chǎn)生更容易檢測到的信號。

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這些原子，并觀察單個光子是像波還是像粒子一樣從兩個相鄰的原子上散射開來。這類似于在原始雙縫實驗中，光穿過兩條狹縫的情形。

“我們所做的可以看作是雙縫實驗的一個新變體，”Ketterle說，“這些單個原子就像是你能建造的最小的狹縫?！?/p>

波粒二象性的關鍵開關

在單光子水平上開展實驗，需要重復多次，并使用超靈敏探測器來記錄從原子散射的光的圖案。通過檢測到的光的強度，研究人員可以直接推斷出光是表現(xiàn)為粒子還是波動。

他們特別關注一半光子表現(xiàn)為波動、另一半表現(xiàn)為粒子的情況。通過調整原子的“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，并實現(xiàn)了這一目標。在實驗中，每個處于激光光束中的10,000個原子，都可以通過調整激光的強度來收緊或放松對原子的束縛。原子束縛得越松，就越“模糊”，或者說在空間上越“彌散”。越模糊的原子更容易被擾動，從而記錄下光子的路徑。因此，通過調高原子的模糊度，研究人員可以增加光子表現(xiàn)出粒子行為的概率。他們的觀察結果與理論描述完全一致。

在實驗中，該團隊測試了愛因斯坦關于如何探測光子路徑的想法。從概念上講，如果每個狹縫都刻在一張用彈簧懸掛在空氣中的極薄紙上，那么穿過其中一個狹縫的光子應該會使相應的彈簧產(chǎn)生一定程度的振動，這種振動將是光子粒子性的信號。在以往的雙縫實驗實現(xiàn)中，物理學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有“彈簧”的情況下完成實驗。團隊的原子云最初是通過激光光束固定的，這類似于愛因斯坦設想的由彈簧懸掛的狹縫。研究人員推測，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光子的波粒二象性沒有任何影響。

事實證明，他們的發(fā)現(xiàn)正是如此。在多次實驗運行中，他們關閉了固定原子的類似彈簧的激光，然后在百萬分之一秒內(nèi)迅速進行測量，這比原子變得更模糊并最終因重力而落下的時間要短得多。在這極短的時間內(nèi)，原子實際上是在自由空間中漂浮的。在這種無彈簧的情境下，團隊觀察到了相同的現(xiàn)象：光子的波性和粒子性不能同時被觀測到。

“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，“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聯(lián)。”

為紀念量子力學誕生（1925年）100周年，聯(lián)合國宣布2025年是“國際量子科學技術年”，而玻爾和愛因斯坦關于雙縫實驗的討論發(fā)生在1927年?！霸趹c祝量子物理學的同一年，我們能夠幫助澄清這一歷史爭議，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