爱因斯坦错了：MIT终结百年量子论战

所讨论的实验是双缝实验，该实验由英国学者托马斯·杨于1801年首次进行，旨在展示光如何表现为波。如今，随着量子力学的形成，双缝实验因其以惊人的简单方式演示了一个令人费解的现实而闻名：光既以粒子形式存在，也以波形式存在。更奇怪的是，这种二象性无法同时被观测到。以粒子形式观察光会立即掩盖其波动性，反之亦然。

原始实验涉及将一束光照射在屏幕上的两条平行狭缝上，并观察在远处第二个屏幕上形成的图案。人们可能预期会看到两个重叠的光斑，这暗示光以粒子（即光子）形式存在，就像沿直线路径运动的彩弹一样。但相反，光在屏幕上产生了明暗相间的条纹，形成一种干涉图案，类似于池塘中两个涟漪相遇时发生的情况。这表明光的行为像波。更离奇的是，当试图测量光通过哪条狭缝时，光突然表现得像粒子，干涉图案随之消失。

如今，双缝实验在大多数高中物理课堂中被教授，作为阐释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，都同时是粒子和波。

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·玻尔之间一场友好辩论的核心。1927年，爱因斯坦认为光子粒子应仅穿过两条狭缝中的一条，并在此过程中对该狭缝产生微小的作用力，如同飞鸟掠过时扰动树叶。他提出，人们可以探测到这种力，同时也能观察到干涉图案，从而同时捕捉到光的粒子性和波动性。作为回应，玻尔应用量子力学的不确定性原理，证明对光子路径的探测会抹去干涉图案。

自那时起，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。现在，麻省理工学院的物理学家进行了迄今为止最“理想化”的双缝实验版本。他们的版本将实验精简至其量子本质。他们使用单个原子作为狭缝，并采用弱光束，使得每个原子至多散射一个光子。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。研究人员由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，干涉图案的可见度就越低。

他们证明了爱因斯坦错在何处：每当一个原子被经过的光子“扰动”时，波的干涉就会减弱。

“爱因斯坦和玻尔绝不会想到，用单个原子和单个光子进行这样的实验是可能的，”麻省理工学院物理系教授、团队负责人沃尔夫冈·克特勒（Wolfgang Ketterle）说。“我们所做的是一个理想化的思想实验（Gedanken experiment）。”

他们的研究成果发表在期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。克特勒在麻省理工学院的共同作者包括第一作者维塔利·费多塞夫（Vitaly Fedoseev）、林翰臻（Hanzhen Lin）、陆宇琨（Yu-Kun Lu）、李宥京（Yoo Kyung Lee）和吕嘉浩（Jiahao Lyu），他们都隶属于麻省理工学院物理系、电子学研究实验室以及麻省理工-哈佛超冷原子中心。

超冷约束

克特勒在麻省理工学院的研究小组实验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加以约束。在这些超冷、精心调控的原子云中，仅在量子、单原子尺度上才会出现的奇异现象得以显现。

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

费多塞夫说：“我们意识到可以量化这个散射过程在多大程度上像粒子或波，并很快认识到可以应用这种新方法以非常理想化的方式实现这个著名实验。”

在他们的新研究中，团队使用了超过10,000个原子，将其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、类似晶格的构型。在这种排列中，每个原子与其他原子之间的距离足够远，以至于每个原子都可以有效地被视为一个孤立且相同的单原子。与单个或两个原子相比，10,000个这样的原子可以产生更易于探测的信号。

该团队推断，通过这种排列，他们可以发射一束弱光穿过这些原子，并观察单个光子如何像波或粒子一样散射两个相邻原子。这类似于原始双缝实验中光穿过两条狭缝的情况。

“我们所做的可被视为双缝实验的一种新变体，”克特勒说。“这些单原子就像你能构建的最小狭缝。”

调控模糊性

在单光子水平上工作，需要重复多次实验并使用超灵敏探测器记录光散射原子的图案。根据探测到的光强度，研究人员可以直接推断光的行为是像粒子还是像波。

他们对一种特定情况特别感兴趣：发射的光子中一半表现为波，一半表现为粒子。他们通过一种方法实现了这一点，该方法通过调整原子的“模糊性”（fuzziness）或其位置确定性，来调控光子表现为波或粒子的概率。在他们的实验中，10,000个原子中的每一个都被激光固定住，该激光可被调节以收紧或放松约束。原子被约束得越松，它就显得越模糊，或者说“空间延展性”越大。越模糊的原子越容易被扰动并记录光子的路径。因此，通过调高原子的模糊性，研究人员可以增加光子表现出类粒子行为的概率。他们的观察结果与理论描述完全一致。

无弹簧状态

在他们的实验中，该团队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，如果每条狭缝都刻在一张悬挂在空气中的、由弹簧支撑的极薄纸片上，那么穿过一条狭缝的光子应以某种程度摇动相应的弹簧，这将是光子粒子性的信号。在以往的双缝实验实现中，物理学家们引入了这种类似弹簧的组件，而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这种弹簧的情况下进行实验。该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，如果他们移除“弹簧”并观察到完全相同的现象，那就表明弹簧对光子的波/粒二象性没有影响。

这正是他们发现的。在多次实验中，他们关闭了将原子固定住的类弹簧激光，并在百万分之一秒内快速进行测量（此时原子尚未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：无法同时观测到光子的波动性和粒子性。

“在许多描述中，弹簧扮演着重要角色。但我们证明，不，弹簧在这里无关紧要；重要的是原子的模糊性，”费多塞夫说。“因此，必须使用更深刻的描述，即利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，以纪念量子力学诞生一百周年。玻尔和爱因斯坦关于双缝实验的讨论发生在仅两年之后。

“能在我们庆祝量子物理学的同一年帮助澄清这一历史性争议，真是一个美妙的巧合，”合著者李宥京说。

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和贝蒂·摩尔基金会的支持。