发布日期：2025-08-07 00:55 点击次数：102
一项突破性实验再次证明，在量子世界中，光同时以波和粒子的形式存在 —— 但我们无法同时看到两者。
阿尔伯特·爱因斯坦曾以其著名的态度反对量子理论的理解，即包括光在内的物理对象同时作为粒子和波存在，并且这种二象性无法被同时观测。然而，一项对基础量子实验进行的全新、简洁的重复验证，提供了迄今为止最具结论性、最直接的证据，表明爱因斯坦可能是错的。
在最近发表于《物理评论快报》的一篇论文中，麻省理工学院（MIT）的科学家们成功地在原子尺度上复制了双缝实验，达到了前所未有的经验精度水平。通过使用超冷原子作为光穿过的“狭缝”，该研究团队证实了光的波粒二象性 —— 连同其所有悖论性质 —— 即使在最基础的量子尺度上依然成立。
双缝实验最早由英国物理学家托马斯·杨（Thomas Young）于1801年进行，它阐释了光在量子世界中的双重性质。当一束光（遵循直线路径的光子“粒子”）穿过屏幕上的两条平行狭缝时，在另一侧出现的是一种类似于池塘中两个涟漪合并的干涉图样，就像是“波”。但如果你试图通过窥视狭缝来捕捉这种神秘的转变过程，干涉图样就会消失。
尼尔斯·玻尔（Niels Bohr） —— 爱因斯坦在此争论中的主要对手 —— 将这一结果称为互补性（complementarity），意指不可能同时测量量子系统的互补属性。但爱因斯坦推测，如果一个用弹簧固定的薄如纸张的狭缝被光照射，单个光子会以类似粒子的方式震动弹簧。这样，我们就能捕捉到光在作用中的二象性。
为了验证这一假说，MIT团队将其实验装置精简到了单原子尺度。他们将原子冷却至微开尔文温度（作为参照：1开尔文约等于零下460华氏度或零下272摄氏度）。他们使用激光将超过一万个原子排列成整齐的类晶体结构。这种高度受控的环境使研究人员能够调整每个原子的“模糊性”（fuzziness），即其位置的确定性。简单来说，一个越模糊的原子，光子穿过时表现出粒子行为的概率就越高。
“这些单个原子就像是你能建造的最小狭缝，”该研究的资深作者、2001年诺贝尔奖得主沃尔夫冈·克特勒（Wolfgang Ketterle）解释道。通过反复用光子轰击这些原子“狭缝”，克特勒及其团队得以记录下光子从原子狭缝散射产生的衍射图样。
不出所料，他们发现玻尔是正确的。他们对单个光子路径观察得越仔细，衍射图样就越弱，这证实了我们无法同时观察到光既是波又是粒子。他们还尝试关闭固定原子的激光 —— 相当于他们装置中的“弹簧”。即便如此，要想追踪光子的路径而不破坏其波状的干涉图样，仍然是不可能的。
“在许多描述中，弹簧扮演着重要角色。但我们证明，不，弹簧在这里并不重要；重要的是原子的模糊性，”该研究的主要作者维塔利·费多塞夫（Vitaly Fedoseev）同样解释道。“因此，必须使用更深刻的描述[如玻尔的互补性]，即利用光子和原子之间的量子关联。”
爱因斯坦有时被指责憎恨量子物理。这并不完全正确。爱因斯坦认为量子理论需要进一步完善，特别是其过度依赖随机性 —— 但他从未完全否认其有效性。正如他在一封写给物理学家马克斯·玻恩（Max Born）的著名信件中所言，量子力学“确实令人印象深刻”，但他的直觉是它“还不是真正的东西……[上帝]不掷骰子”。
爱因斯坦对量子力学有很多疑问，其中许多至今仍未解答。正如爱因斯坦-玻尔之争 —— 以及MIT的新发现 —— 所表明的那样，他对物理学家们习以为常的理论提出的严谨而发人深省的挑战，持续推动着我们对量子力学这个奇异、充满悖论的世界的理解。
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