在量子物理学的迷人世界里，光一直是一个引人入胜的主题。长期以来，科学家们一直在努力理解它的双重性质——既是粒子又是波。最近，麻省理工学院（MIT）的物理学家们进行了一项突破性的实验，这项实验不仅证实了光的双重身份，还挑战了我们对量子力学的一些基本理解。
这项研究发表在《物理评论快报》上，由沃尔夫冈·凯特勒教授领导的麻省理工学院研究团队进行，他们成功地完成了双缝实验的一个理想版本。这个实验最初由托马斯·杨于1801年进行，旨在展示光作为波的行为。然而，随着量子力学的出现，双缝实验现在被认为是量子世界最令人费解的演示之一：光既可以作为粒子存在，也可以作为波存在。
双缝实验：量子力学的基础
双缝实验的基本设置包括将一束光穿过一个屏幕上的两个平行狭缝，并在后面的屏幕上观察形成的图案。如果光仅作为粒子存在，那么我们期望在第二个屏幕上看到两个重叠的光点。然而，事实并非如此。相反，光在屏幕上产生了明暗相间的条纹，形成了一种干涉图案，类似于池塘中两个涟漪相遇时发生的情况。这种现象表明光具有波的性质。
更有趣的是，当我们尝试测量光穿过哪个狭缝时，光的行为会发生变化。突然间，光表现得像粒子，干涉图案消失了。这种双重性是量子力学的核心概念之一，它指出所有物理对象，包括光，都可以同时表现出粒子和波的性质。然而，这两种性质不能同时观察到。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。
爱因斯坦与玻尔的争论
双缝实验也是物理学家阿尔伯特·爱因斯坦和尼尔斯·玻尔之间长期争论的焦点。1927年，爱因斯坦提出，光子应该只穿过两个狭缝中的一个，并在穿过狭缝时对狭缝产生轻微的力。他认为，我们可以检测到这种力，同时观察到干涉图案，从而同时捕捉到光的粒子和波动性质。然而，玻尔反驳说，量子力学的不确定性原理表明，对光子路径的检测会消除干涉图案。
麻省理工学院的理想化实验
麻省理工学院的研究人员通过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，从而实现了双缝实验的理想化版本。通过将原子制备成不同的量子态，他们能够改变原子获得的光子路径信息。结果证实了量子理论的预测：关于光路径的信息越多（即光的粒子性），干涉图案的可见度就越低。
凯特勒教授说：“爱因斯坦和玻尔从未想过有可能用单个原子和单个光子进行这样的实验。我们所做的实际上是一个理想化的思想实验。”
该团队的实验涉及将超过10,000个原子冷却到微开尔文温度。然后，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，每个原子与其他原子之间的距离足够远，可以被认为是单个、孤立且相同的原子。通过使用大量的原子，研究人员能够更容易地检测到信号。
研究人员认为，通过这种排列，他们可以将一束微弱的光照射到原子上，并观察单个光子如何作为波或粒子从两个相邻原子散射。这类似于原始双缝实验中光穿过两个狭缝的方式。
调整“模糊性”
为了实现一半光子表现为波，一半表现为粒子的情况，研究人员使用了一种方法来调整原子“模糊性”，即原子位置的确定性，从而调整光子表现为波或粒子的概率。在他们的实验中，每个原子都由激光固定，激光可以调整以收紧或放松对原子的束缚。原子被束缚得越松散，它看起来就越模糊或“空间扩展”。模糊的原子更容易被穿过的光子“扰动”，并记录光子的路径。因此，通过增加原子的模糊性，研究人员可以增加光子表现出粒子行为的可能性。
无需“弹簧”的实验
在他们实验中，研究小组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，如果每个狭缝都被切割成一张极薄的纸，并通过弹簧悬挂在空中，那么穿过一个狭缝的光子应该会以某种程度摇动相应的弹簧，这将是光子粒子性质的信号。在以前的双缝实验中，物理学家们已经加入了这种类似弹簧的成分，弹簧在描述光子的双重性质方面发挥了重要作用。
然而，凯特勒和他的同事们能够在没有这种弹簧的情况下进行实验。研究小组的原子云最初由激光固定，类似于爱因斯坦提出的由弹簧悬挂的狭缝的概念。研究人员认为，如果他们去掉“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。
他们的发现也证实了这一点。在多次运行中，他们关闭了固定原子的类似弹簧的激光，然后在百万分之一秒内迅速进行测量，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，原子实际上漂浮在自由空间中。在这种无弹簧的情况下，研究小组观察到了相同的现象：光子的波动性和粒子性不能同时被观察到。
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性。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。”
量子科技的未来
这项研究不仅加深了我们对量子力学的理解，而且还为量子科技的发展开辟了新的途径。通过操纵单个原子和光子，科学家们可以开发出更精确的传感器、更安全的通信系统和更强大的计算机。
此外，这项研究强调了基础科学研究的重要性。正是对自然界基本规律的探索，推动了技术创新，并最终改善了我们的生活。正如凯特勒教授所说：“基础研究是创新的源泉。如果我们不探索未知的领域，我们就无法发现新的事物。”
这项研究结果也恰逢联合国宣布2025年为国际量子科技年，以纪念量子力学诞生100周年。玻尔和爱因斯坦关于双缝实验的讨论发生在两年后。李共同作者说：“我们能够在庆祝量子物理学同一年帮助澄清这场历史性争议，这是一个奇妙的巧合。”
总而言之，麻省理工学院物理学家的这项开创性实验为我们理解光的双重性质以及量子力学的基本原理做出了重要贡献。通过将双缝实验简化为量子本质，他们不仅证实了量子理论的预测，还挑战了我们对现实的传统观念。这项研究为量子科技的未来发展奠定了基础，并强调了基础科学研究在推动创新和改善我们生活方面的重要性。
