麻省理工学院的物理学家用超冷原子和单光子执行了最精确版本的双缝实验，揭示了光作为波和粒子的奇异双重性质。
爱因斯坦和玻尔长期争论的这种量子平衡行为，在没有传统“弹簧”元件的情况下得到了测试，而是依靠原子的“模糊性”来证实玻尔的观点：你不可能同时观察到这两种属性。该实验不仅展示了量子力学的微妙之处，还重新审视并解决了历史上的一场科学论争。
光的双重身份：一个量子之谜
麻省理工学院的研究人员实施了量子物理学中最具标志性实验之一的高精度版本。他们利用原子尺度的精密技术，得以仔细研究光的神秘双重性质。他们的结果证实了物理学界长期争论不休的一个问题：在这个案例中，阿尔伯特·爱因斯坦关于光的观点是错误的。
双缝干涉实验的历史性解释
他们重新进行的实验被称为双缝实验。该实验最初由英国科学家托马斯·杨于1801年进行，原本旨在证明光具有波动性。然而，随着20世纪量子力学的兴起，该实验具有了更为重要的意义。它以一种惊人且直接的方式揭示了一个深奥难解的真相：光既具有波动性，又具有粒子性，但绝不会同时具备两种性质。
在经典的双缝实验中，光线穿过一个屏障上的两个并排狭缝。屏障后面的屏幕上，并没有出现预期中的两道光斑（如果光像固体颗粒一样传播的话），而是出现了明暗相间的条纹图案。这种波浪状的干涉图样与水波相遇时的情况极为相似。然而，如果你试图测量光线穿过的是哪个狭缝，条纹就会消失，光的行为也会表现得像单个粒子一样。
如今，双缝实验是高中物理课堂上的主要实验，用于阐释量子力学的一个核心观点：物质（包括光）以波和粒子的形式存在。但关键的是，观察到其中一种形式就会导致另一种形式消失。
爱因斯坦对阵玻尔：持续一个世纪的辩论
近一个世纪前，这一实验成为了物理学家阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）和尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）之间友好辩论的中心议题。1927年，爱因斯坦认为光子粒子应该只穿过两个狭缝中的一个，并在这个过程中对该狭缝产生轻微的力，就像一只飞鸟飞过时窸窣搅动树叶一样。他提出，人们可以在观察到干涉图样的同时检测到这种力，从而同时捕捉到光的粒子和波动性质。对此，玻尔运用量子力学的不确定性原理证明，对光子路径的检测会消除干涉图样。
自那以后，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提出的量子理论的有效性。如今，麻省理工学院的物理学家们完成了迄今为止最“理想化”的双缝实验版本。他们将实验简化为最基本的量子实验。他们使用单个原子作为缝隙，并使用较弱的光束，这样每个原子最多只能散射一个光子。通过使原子处于不同的量子态，他们能够改变原子所能获取的光子路径信息。因此，研究人员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。每当一个原子被一个路过的光子“搅动”，波的干涉就会减弱。
超冷原子：打造完美装置
麻省理工学院团队的领导、约翰•D•麦克阿瑟物理学教授沃尔夫冈•凯特莱说:“爱因斯坦和玻尔永远也不会想到，用单个原子和单个光子做这样的实验是可能的。我们所做的是理想化的思想实验。”
他们的研究成果已发表在《物理评论快报》上。科特勒在麻省理工学院的合著者包括第一作者维塔利·费多塞耶夫、韩禛、陆宇坤、李友京和吕佳浩，他们均来自麻省理工学院物理系、电子学研究实验室和麻省理工学院-哈佛大学超冷原子研究中心。
麻省理工学院的克特勒（Ketterle）小组正在对原子和分子进行实验，他们将原子和分子冷却到仅高于绝对零度的温度，并用激光将其限制在特定结构中。在这些经过精心调节的超冷原子云中，只有量子单原子尺度下才会出现的奇异现象才会出现。
在最近的一次实验中，该团队正在研究一个看似不相关的问题，即研究光散射如何揭示由超冷原子构成的材料的特性。
费多塞耶夫说:“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，以一种非常理想化的方式来实现这一著名的实验。”
冰冻晶格与光子路径
在该团队的新研究中，他们使用了超过 10,000 个原子，并将其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、类似晶体的晶格结构。在这种排列中，每个原子与其他原子之间的距离都足够远，因此每个原子实际上都可以被视为一个独立的、完全相同的原子。与单个原子或两个原子相比，10,000 个这样的原子可以产生更容易检测到的信号。
该小组认为，通过这种安排，他们可能会让一束微弱的光穿过原子，并观察单个光子是如何像波或粒子一样在两个相邻原子上散射的。这与最初的双缝实验中光穿过两个狭缝的方式类似。
基特利（Ketterle）说：“我们所做的可以被视为双缝实验的一种新变体。这些单个原子就像是你所能建造的最小的狭缝。”
利用模糊性控制量子行为
在单光子层面进行实验需要多次重复，并使用超灵敏探测器来记录从原子上散射出的光的图样。研究人员可以通过检测到的光的强度，直接推断出光表现为粒子还是波。
他们尤其感兴趣的是这样一种情况：发送的一半光子表现为波粒二象性中的波动性，而另一半则表现为粒子性。他们通过一种方法实现了这一点，即调整原子“模糊度”或位置确定性，从而调节光子以波或粒子的形态出现的概率。在他们的实验中，10000个原子每一个都被激光光束固定住，激光光束的束缚力可以调紧或调松。对原子的束缚越松，原子就显得越模糊，或“空间范围”越大。越模糊的原子越容易扰动，并记录光子的路径。因此，通过调整原子的模糊度，研究人员可以增加光子表现出粒子行为的可能性。他们的观察结果与理论描述完全一致。
无需弹簧即可验证爱因斯坦的理论
在他们的实验中，该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悬挂在弹簧上的极薄的纸，那么穿过一个狭缝的光子应该会以一定的程度摇动相应的弹簧，这将作为光子粒子性质的信号。在之前的双缝实验中，物理学家们加入了弹簧类的装置，并且弹簧在描述光子的双重性质中发挥了主要作用。
但克特勒（Ketterle）及其同事在没有传统弹簧的情况下也成功完成了实验。研究小组利用激光将原子云固定住，这类似于爱因斯坦设想的由弹簧悬挂的狭缝。研究人员推断，如果他们去掉“弹簧”，但仍能观察到完全相同的现象，那就说明弹簧对光子的波粒二象性没有影响。
他们的发现亦是如此。在多次运行中，他们关闭了将原子固定到位的弹簧状激光，然后在原子因变得模糊并最终受重力影响下落之前的百万分之一秒内迅速进行测量。在这极短的时间内，原子实际上是在自由空间中漂浮。在没有弹簧的情况下，团队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。
量子科学之年的量子清晰度
“在许多描述中，弹簧起着主要作用。但我们证明，不，弹簧在这里并不重要；重要的只是原子的模糊性，”费多塞耶夫说道。“因此，人们必须采用更深入的描述，利用光子和原子之间的量子相关性。”
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”，以纪念量子力学诞生100周年。玻尔与爱因斯坦关于双缝实验的讨论仅仅发生在两年后。
“在我们庆祝量子物理的同时，能够帮助澄清这一历史争议，真是美妙的巧合，”论文合著者李（Lee）说道。
参考文献：《单原子波包相干与非相干光散射》，作者：维塔利·费多塞耶夫、林汉臻、陆宇鲲、李友京、吕嘉浩、沃尔夫冈·克特勒，发表于2025年7月22日，《物理评论快报》。DOI：10.1103/zwhd-1k2t
这项工作部分得到了美国国家科学基金会、美国国防部以及戈登与贝蒂·摩尔基金会的支持。
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