爱因斯坦错了：麻省理工学院终结了一场长达百年的量子争论

所述实验是双缝实验，最初由英国学者托马斯·杨于1801年进行，用以展示光如何表现为波。如今，随着量子力学的建立，双缝实验因其令人费解的现实而闻名：光同时以粒子和波的形式存在。更奇怪的是，这种二象性无法同时被观察到。将光视为粒子会立即掩盖其波动性，反之亦然。

最初的实验是将一束光通过屏幕上的两条平行狭缝，并在远处的第二个屏幕上观察形成的图案。人们可能预期会看到两个重叠的光点，这意味着光以粒子（即光子）的形式存在，就像沿着直线路径运动的彩弹。然而，光却在屏幕上产生明暗交替的条纹，类似于池塘中两个波纹相遇时的干涉图案。这表明光表现为波。更奇怪的是，当试图测量光通过哪条狭缝时，光突然表现为粒子，干涉图案消失。

如今，双缝实验在大多数高中物理课程中被用作说明量子力学基本原理的简单方法：包括光在内的所有物理对象同时是粒子和波。

近一个世纪前，该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核心。1927年，爱因斯坦认为光子粒子应仅通过两条狭缝中的一条，并在过程中对该狭缝产生微小的力，就像鸟儿飞过时拂动树叶一样。他提出，可以在观察干涉图案的同时检测到这种力，从而同时捕捉光的粒子和波动性。作为回应，玻尔应用量子力学的不确定性原理，证明检测光子的路径会消除干涉图案。

此后，科学家们进行了多个版本的双缝实验，并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迄今为止最“理想化”的双缝实验版本。他们的版本将实验简化为其量子本质。他们使用单个原子作为狭缝，并使用弱光束，使每个原子最多散射一个光子。通过将原子制备在不同的量子态中，他们能够修改原子获取的关于光子路径的信息。研究人员因此证实了量子理论的预测：获取关于光路径（即粒子性）的信息越多，干涉图案的可见度越低。

他们展示了爱因斯坦的错误之处。每当原子被经过的光子“拂动”时，波的干涉就会减弱。

“爱因斯坦和玻尔从未想过可以用单个原子和单个光子进行这样的实验，”麻省理工学院物理系约翰·D·麦克阿瑟教授、团队负责人沃尔夫冈·克特勒说。“我们所做的是一个理想化的思想实验。”

他们的研究结果发表在《物理评论快报》上。克特勒在麻省理工学院的合著者包括第一作者维塔利·费多索夫、林翰真、卢宇坤、李宥京和吕佳豪，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-哈佛超冷原子中心。

超冷约束

克特勒在麻省理工学院的团队实验使用超冷至接近绝对零度的原子和分子，并用激光将它们排列成特定构型。在这些超冷、精心调谐的云中，可以出现仅在量子、单原子尺度下发生的奇异现象。

在最近的一项实验中，团队研究了一个看似无关的问题，探索光散射如何揭示由超冷原子构成的材料的特性。

“我们意识到可以量化这种散射过程表现为粒子或波的程度，并很快意识到可以应用这种新方法以非常理想化的方式实现这一著名实验，”费多索夫说。

在新研究中，团队使用了超过10,000个原子，将它们冷却至微开尔文温度。他们使用激光阵列将这些冷冻原子排列成均匀间隔的晶格构型。在这种排列中，每个原子与其他原子距离足够远，可以有效地被视为单个、孤立且相同的原子。与单个或两个原子相比，10,000个这样的原子可以产生更容易检测的信号。

团队推断，通过这种排列，他们可以发射一束弱光穿过原子，并观察单个光子如何作为波或粒子从两个相邻原子上散射。这与原始双缝实验中光通过两条狭缝类似。

“我们所做的可以视为双缝实验的新变体，”克特勒说。“这些单个原子就像你能建造的最小狭缝。”

调节模糊度

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记录从原子上散射的光的图案。从检测到的光强度，研究人员可以直接推断光表现为粒子还是波。

他们对一半光子表现为波、一半表现为粒子的情况特别感兴趣。他们通过调节原子的“模糊度”或其位置的确定性，调整光子表现为波或粒子的概率来实现这一点。在实验中，10,000个原子中的每一个都由可调节的激光固定。原子被固定得越松散，其模糊度或“空间扩展性”越大。越模糊的原子更容易被拂动并记录光子的路径。因此，通过增加原子的模糊度，研究人员可以提高光子表现出粒子行为的概率。他们的观察结果与理论描述完全一致。

去除弹簧

在实验中，团队测试了爱因斯坦关于如何检测光子路径的想法。概念上，如果每条狭缝被切割成悬挂在空中的极薄纸片，光子通过一条狭缝会以某种程度摇动相应的弹簧，这将作为光子粒子性的信号。在之前的双缝实验实现中，物理学家们加入了这种类似弹簧的成分，弹簧在描述光子的二象性中发挥了重要作用。

但克特勒和他的同事们能够在没有弹簧的情况下进行实验。团队的原子云最初由激光固定，类似于爱因斯坦设想的由弹簧悬挂的狭缝。研究人员推断，如果他们去除“弹簧”并观察到完全相同的现象，那么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。在多次运行中，他们关闭固定原子的类弹簧激光，并在百万分之一秒内快速测量，然后原子变得更模糊并最终因重力下落。在这极短的时间内，原子实际上是在自由空间中漂浮。在这种无弹簧的情况下，团队观察到了相同的现象：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。但我们表明，不，弹簧在这里无关紧要；重要的是原子的模糊度，”费多索夫说。“因此，必须使用更深刻的描述，即光子与原子之间的量子相关性。”

研究人员指出，联合国已将2025年宣布为国际量子科学与技术年，以庆祝量子力学建立100周年。玻尔和爱因斯坦关于双缝实验的讨论仅在此两年后发生。

“这是一个美妙的巧合，在我们庆祝量子物理学的同一年，我们能够帮助澄清这一历史性争议，”合著者李说。

这项工作得到了美国国家科学基金会、美国国防部和戈登与贝蒂·摩尔基金会的部分支持。