量子世界的二重性：MIT 实验揭示光的波粒二象性之谜
在量子物理学的迷人世界中，光一直以其独特的二重性吸引着科学家们。正如超人拥有克拉克·肯特和超人两个身份一样，光也同时具有波和粒子的性质，而这两种性质却无法同时被观察到。近日，麻省理工学院（MIT）的物理学家们进行了一项具有里程碑意义的实验，以前所未有的精度证实了光的这种二重性，并推翻了爱因斯坦在此问题上的部分观点。这项研究不仅加深了我们对量子力学基本原理的理解，也为未来的量子技术发展奠定了基础。
双缝干涉实验：量子力学的基石
这项研究的核心是著名的双缝干涉实验。这个实验最早由英国学者托马斯·杨于1801年完成，旨在展示光的波动性。随着量子力学的发展，双缝干涉实验如今已成为量子力学中最具代表性的实验之一，它揭示了一个令人费解的现实：光既可以表现出粒子的性质，又可以表现出波的性质。更奇怪的是，这两种性质无法同时被观测到。当我们观察到光的粒子性时，它的波动性就会消失，反之亦然。
在最初的实验中，一束光通过一个带有两条平行狭缝的屏幕，然后在后面的屏幕上形成图案。如果光仅仅由粒子组成，我们可能会预期在屏幕上看到两个重叠的光斑。然而，实验结果却显示出明暗相间的条纹，这是一种干涉图案，类似于水波在水面上相遇时产生的干涉现象。这表明光具有波动性。更有甚者，当我们试图测量光通过哪条狭缝时，光会突然表现出粒子性，干涉图案也随之消失。
双缝干涉实验如今已成为高中物理课程中的经典内容，用于解释量子力学的基本原理：所有物理对象，包括光，都同时具有粒子性和波动性。
爱因斯坦与玻尔的论战
近一个世纪前，双缝干涉实验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，光子应该只通过两条狭缝中的一条，并在通过时对狭缝产生轻微的力，就像鸟儿飞过树叶时会发出沙沙声一样。他认为，人们可以在观察干涉图案的同时检测到这种力，从而同时捕捉到光的粒子性和波动性。
作为回应，玻尔应用了量子力学的不确定性原理，证明对光子路径的探测会消除干涉图案。换句话说，对粒子性的测量会不可避免地干扰波动性。
MIT 的“理想化”实验
此后，科学家们进行了多次双缝干涉实验，这些实验在不同程度上证实了玻尔提出的量子理论的有效性。现在，麻省理工学院的物理学家们进行了一项迄今为止“最理想化”的双缝干涉实验。他们的实验将双缝干涉实验简化到了其量子本质。他们使用单个原子作为狭缝，并使用微弱的光束，使每个原子最多散射一个光子。通过将原子置于不同的量子态，他们能够改变原子获取光子路径信息的方式。研究人员由此证实了量子理论的预测：关于光路径的信息越多（即粒子性越强），干涉图案的可见度就越低。
他们证明了爱因斯坦的错误之处：每当原子被经过的光子“扰动”时，波的干涉就会减弱。
麻省理工学院物理学教授、研究团队负责人沃尔夫冈·凯特勒说：“爱因斯坦和玻尔可能从未想到，可以用单个原子和单个光子进行这样的实验。我们所做的，是一个理想化的假想实验。”
冷原子囚禁技术
凯特勒在麻省理工学院的研究小组致力于研究原子和分子，他们将这些原子和分子超冷却到接近绝对零度的温度，并用激光将它们排列成特定的构型。在这些超冷、经过精心调谐的原子云中，会涌现出只有在量子、单原子尺度上才会出现的奇异现象。
在最近的一项实验中，该团队正在研究一个看似无关的问题：研究光散射如何揭示由超冷原子构成的材料的性质。
维塔利·费多谢耶夫说：“我们意识到，我们可以量化这种散射过程像粒子还是像波的程度，而且我们很快意识到，我们可以应用这种新方法，以一种非常理想化的方式来实现这个著名的实验。”
实验细节与结果
在这项新的研究中，该团队使用了超过10000个原子，并将它们冷却到微开尔文温度。他们使用一系列激光束将这些冷冻原子排列成均匀间隔的晶格状结构。在这种排列中，每个原子与其他任何原子之间的距离都足够远，因此每个原子都可以被有效地视为单个、孤立且相同的原子。与单个或两个原子相比，10000个这样的原子可以产生更容易检测到的信号。
该小组推断，通过这种排列，他们可以将一束微弱的光束照射到原子上，并观察单个光子如何以波或粒子的形式从两个相邻的原子上散射。这类似于在最初的双缝干涉实验中，光通过两条狭缝。
凯特勒说：“我们所做的可以被认为是双缝干涉实验的一种新变体。这些单个原子就像你可以构建的最小的狭缝。”
在单光子水平上工作需要多次重复实验，并使用超灵敏探测器来记录从原子散射的光的图案。研究人员可以从探测到的光的强度直接推断出光是表现为粒子还是波。
他们对一半光子表现为波，一半表现为粒子的状态特别感兴趣。他们通过一种方法实现了这一点：通过调整原子的“模糊度”或其位置的确定性来调整光子表现为波与表现为粒子的概率。在他们的实验中，10000个原子中的每一个都由激光固定在适当的位置，激光可以被调整以收紧或放松光子的保持。原子被保持得越松散，它看起来就越模糊或“空间延伸”。模糊的原子更容易被扰动并记录光子的路径。因此，通过提高原子的模糊度，研究人员可以增加光子表现出粒子状行为的概率。他们的观察结果与理论描述完全一致。
没有“弹簧”的实验
在他们的实验中，该小组测试了爱因斯坦关于如何检测光子路径的想法。从概念上讲，如果每条狭缝都被切割成一张极薄的纸片，这张纸片通过弹簧悬浮在空中，那么光子通过一条狭缝应该以一定程度摇动相应的弹簧，这将是光子粒子性的信号。在之前实现的双缝干涉实验中，物理学家们已经加入了这种类似弹簧的成分，并且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在适当的位置，类似于爱因斯坦提出的由弹簧悬挂的狭缝的概念。研究人员推断，如果他们取消“弹簧”，并观察到完全相同的现象，那么这将表明弹簧对光子的波/粒子二象性没有影响。
这也是他们的发现。经过多次运行，他们关闭了将原子固定在适当位置的类似弹簧的激光，然后在百万分之一秒内快速进行测量，赶在原子变得更加模糊并最终因重力而掉落之前。在这极短的时间内，原子有效地漂浮在自由空间中。在这种无弹簧的情况下，该团队观察到了相同的现象：光子的波和粒子性质无法同时被观察到。
费多谢耶夫说：“在许多描述中，弹簧起着重要作用。但我们表明，不，弹簧在这里并不重要；重要的是原子的模糊度。因此，必须使用更深刻的描述，即使用光子和原子之间的量子关联。”
研究人员指出，联合国已宣布2025年为国际量子科学与技术年，以庆祝量子力学诞生100周年。玻尔和爱因斯坦关于双缝干涉实验的讨论发生在两年后。
合著者李说：“我们能够在庆祝量子物理学的同时帮助澄清这一历史性的争议，这是一个美妙的巧合。”
这项工作得到了美国国家科学基金会、美国国防部以及戈登和贝蒂·摩尔基金会的部分支持。
量子技术的未来展望
这项研究不仅加深了我们对量子力学基本原理的理解，也为未来的量子技术发展奠定了基础。通过精确控制单个原子和光子，科学家们可以开发出更先进的量子计算机、量子传感器和量子通信系统。这些技术有望在未来的信息时代发挥重要作用，为人类带来前所未有的机遇。
例如，量子计算机利用量子力学的叠加和纠缠等特性，可以解决传统计算机无法解决的复杂问题，如药物研发、材料设计和金融建模。量子传感器可以实现对物理量的超高精度测量，如引力波探测、生物医学成像和环境监测。量子通信系统则可以实现安全的密钥分发，防止信息泄露。
麻省理工学院的这项研究为我们打开了一扇通往量子世界的大门，让我们得以一窥光和物质的奇妙本质。随着量子科学技术的不断发展，我们有理由相信，未来的世界将因量子而更加精彩。
