摘要：麻省理工学院的物理学家们对量子物理学中最著名的实验之一进行了理想化版本的研究。他们的发现以原子级的精度揭示了光的二重性和难以捉摸的性质。他们也恰好证实了阿尔伯特·爱因斯坦关于这一特定量子场景的假设是错误的。
麻省理工学院的物理学家们对量子物理学中最著名的实验之一进行了理想化版本的研究。他们的发现以原子级的精度揭示了光的二重性和难以捉摸的性质。他们也恰好证实了阿尔伯特·爱因斯坦关于这一特定量子场景的假设是错误的。
我们所讨论的实验是双缝实验，它是由英国学者托马斯·杨于1801年首次进行的，目的是展示光作为波的行为。如今，随着量子力学的形成，双缝实验以其出人意料的简单性而闻名，它揭示了一个令人费解的现实：光既是粒子又是波。
更奇怪的是，这种二元性无法同时被观察到。以粒子形式观察到光会立即掩盖其波动性，反之亦然。
最初的实验是将一束光照射到屏幕上的两个平行狭缝中，然后观察在远处的另一个屏幕上形成的图案。人们可能会看到两个重叠的光点，这意味着光以粒子（也就是光子）的形式存在，就像彩弹一样，沿着直线运动。
但事实并非如此，光在屏幕上形成了明暗交替的条纹，类似于池塘中两道涟漪相遇时产生的干涉图样。这表明光的行为就像波一样。更奇怪的是，当人们试图测量光穿过哪条狭缝时，光突然表现得像粒子，干涉图样消失了。
如今，大多数高中物理课都会教授双缝实验，以简单地说明量子力学的基本原理：包括光在内的所有物理对象都同时是粒子和波。
近一个世纪前，这项实验曾是物理学家阿尔伯特·爱因斯坦和尼尔斯·玻尔之间友好辩论的焦点。1927年，爱因斯坦提出，光子粒子应该只穿过两个狭缝中的其中一个，并在这个过程中对该狭缝产生轻微的力，就像鸟儿飞过树叶时发出的沙沙声一样。
他提出，人们可以在探测这种力的同时观察干涉图样，从而同时捕捉光的粒子性和波动性。对此，玻尔运用量子力学的不确定性原理，证明探测光子路径会抵消干涉图样。
此后，科学家们进行了多个版本的双缝实验，这些实验都在不同程度上证实了玻尔量子理论的有效性。如今，麻省理工学院的物理学家们进行了迄今为止最“理想化”的双缝实验。他们的版本将实验精简到量子本质。他们使用单个原子作为狭缝，并使用弱光束，使得每个原子最多散射一个光子。
通过制备不同量子态的原子，他们能够改变原子获取的光子路径信息。研究人员由此证实了量子理论的预测：获取的光子路径（即粒子性质）信息越多，干涉图样的可见度就越低。
他们证明了爱因斯坦的错误。每当一个原子被经过的光子“震动”时，波的干涉就会减弱。
“爱因斯坦和玻尔从未想过，用单个原子和单个光子进行这样的实验是可能的，”麻省理工学院约翰·D·麦克阿瑟物理学教授、团队负责人沃尔夫冈·凯特勒说道。“我们做的是一个理想化的‘思想’实验。”
他们的研究成果发表在《物理评论快报》上。Ketterle 的麻省理工学院合著者包括第一作者 Vitaly Fedoseev、Hanzhen Lin、Yu-Kun Lu、Yoo Kyung Lee 和 Jiahao Lyu，他们都隶属于麻省理工学院物理系、电子研究实验室和麻省理工学院-哈佛大学超冷原子中心。
冷监禁
麻省理工学院凯特勒的研究小组对原子和分子进行实验，将原子和分子超冷至略高于绝对零度的温度，并排列成激光限制的结构。在这些经过精心调节的超冷云层中，一些仅在量子单原子尺度上发生的奇异现象得以出现。
在最近的一项实验中，该团队研究了一个看似不相关的问题，研究光散射如何揭示由超冷原子构成的材料的特性。
“我们意识到我们可以量化这种散射过程像粒子或波的程度，并且我们很快意识到我们可以应用这种新方法以非常理想化的方式实现这个著名的实验，”费多谢夫说。
在这项新研究中，该团队研究了超过一万个原子，并将它们冷却至微开尔文温度。他们使用激光束阵列将这些冷冻的原子排列成间距均匀的晶体状晶格结构。在这种排列中，每个原子彼此之间的距离都足够远，以至于每个原子都可以有效地被视为一个独立、相同的原子。与一两个原子相比，一万个这样的原子可以产生更容易被探测到的信号。
研究小组推测，通过这种结构，他们或许可以用一束弱光穿过原子，观察单个光子如何从两个相邻的原子散射，形成波或粒子。这与最初的双缝实验中光穿过两个狭缝的方式类似。
“我们所做的可以被视为双缝实验的一个新变体，”凯特勒说。“这些单个原子就像你能建造的最小的狭缝。”
调音模糊
在单光子水平上进行研究需要多次重复实验，并使用超灵敏探测器记录原子散射光的模式。根据探测到的光的强度，研究人员可以直接推断光的行为是粒子还是波。
他们尤其感兴趣的是，他们发射的光子一半表现为波，一半表现为粒子。他们通过调整原子的“模糊性”（即其位置的确定性）来调整光子表现为波而非粒子的概率，从而实现了这一点。
在他们的实验中，10000个原子中的每一个都被激光束固定在适当的位置，激光束的强度可以调节。原子束的强度越松散，它看起来就越模糊，或者说“空间分布越广泛”。
模糊程度越高的原子越容易发出沙沙声，并记录光子的路径。因此，通过调整原子的模糊性，研究人员可以提高光子表现出类粒子行为的概率。他们的观察结果与理论描述完全一致。
春天来了
在实验中，该团队测试了爱因斯坦关于如何探测光子路径的想法。从概念上讲，如果在一张极薄的纸上切出每条狭缝，并用弹簧将其悬空，那么穿过其中一条狭缝的光子应该会使相应的弹簧发生一定程度的震动，这将是光子粒子性质的信号。
在先前的双缝实验中，物理学家们已经加入了这种类似弹簧的成分，而弹簧在描述光子的双重性质方面发挥了重要作用。
但凯特勒和他的同事们能够在没有弹簧的情况下进行实验。该团队的原子云最初由激光固定，类似于爱因斯坦的“弹簧悬浮狭缝”构想。
研究人员推断，如果他们去掉“弹簧”，并观察完全相同的现象，那么就会发现弹簧对光子的波粒二象性没有影响。
他们也发现了同样的现象。经过多次实验，他们关闭了固定原子的类似弹簧的激光器，然后在百万分之一秒内快速进行了一次测量，随后原子变得更加模糊，最终在重力作用下下落。在这极短的时间内，原子实际上漂浮在自由空间中。在这种没有弹簧的场景下，研究小组观察到了同样的现象：光子的波动性和粒子性无法同时被观察到。
“在许多描述中，弹簧起着重要作用。但我们证明，弹簧在这里并不重要；重要的只是原子的模糊性，”费多谢夫说。“因此，我们必须使用更深刻的描述，即利用光子和原子之间的量子关联。”
研究人员指出，联合国已将2025年定为国际量子科学技术年，以纪念量子力学的诞生100周年。而玻尔和爱因斯坦关于双缝实验的讨论，仅仅发生在两年后。
“我们能够在庆祝量子物理学的同一年帮助澄清这一历史性争议，这真是一个奇妙的巧合，”合著者李说。
来源：田田说科学
