爱因斯坦错了：麻省理工学院刚刚平息了一场百年量子论战

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，旨在展示光如何以波的形式行为。如今，随着量子力学的建立，双缝实验因其以惊人简单的形式揭示了一个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测。以粒子形式观察光会立刻掩盖其波动性，反之亦然。

原始实验涉及将一束光照射穿过屏幕上的两条平行狭缝，并观察在远处第二块屏幕上形成的图案。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，如同沿着直线路径运动的彩弹。但相反，光在屏幕上产生了明暗相间的条纹，呈现出类似池塘中两处涟漪相遇时的干涉图案。这表明光的行为像波。更奇怪的是，当试图测量光穿过哪条狭缝时，光突然表现出粒子性，干涉图案随之消失。

如今，双缝实验作为阐释量子力学基本原理的简易方法，被纳入大多数高中物理课程：包括光在内的所有物理客体，都同时具有粒子和波的特性。

近一个世纪前，该实验是物理学家阿尔伯特·爱因斯坦与尼尔斯·玻尔之间一场友好辩论的核心。1927年，爱因斯坦提出光子粒子应仅穿过两条狭缝中的一条，并在过程中对该狭缝产生微弱作用力，如同飞鸟掠过时轻拂树叶。他认为可以在观测干涉图案的同时探测到这种力，从而同时捕捉光的粒子性与波动性。对此，玻尔运用量子力学不确定性原理，证明探测光子路径的行为会消除干涉图案。

此后，科学家们进行了多个版本的双缝实验，均在不同程度上证实了玻尔建立的量子理论的有效性。如今，麻省理工学院（MIT）的物理学家完成了迄今为止最"理想化"的双缝实验版本。他们的版本将实验精简至量子本质层面：采用单个原子作为狭缝，并使用弱光束确保每个原子至多散射一个光子。通过将原子制备于不同量子态，他们得以调控原子获取的光子路径信息。研究人员由此证实了量子理论的预言：获取光的路径（即粒子性）信息越多，干涉图案的可见度就越低。

他们的研究揭示了爱因斯坦认知的谬误：每当原子被经过的光子"扰动"，波干涉现象就会减弱。

"爱因斯坦和玻尔绝不会想到能用单个原子和单光子实现这样的实验，"麻省理工学院约翰·D·麦克阿瑟物理学教授、团队负责人沃尔夫冈·克特勒表示，"我们所做的是一项理想化的思想实验。"

研究成果发表于《物理评论快报》期刊。克特勒在MIT的合作者包括第一作者维塔利·费多塞夫、林翰臻、卢宇坤、李侑卿和吕佳豪，他们均隶属于MIT物理系、电子研究实验室及MIT-哈佛超冷原子中心。

超冷约束

克特勒在MIT的研究小组致力于将原子和分子冷却至接近绝对零度的超低温，并用激光约束形成特定构型。在这些经过精密调控的超冷原子云中，仅发生于量子单原子尺度的奇异现象得以显现。

在近期实验中，团队研究了一个看似无关的问题：如何通过光散射揭示超冷原子构建材料的特性。

"我们意识到可以量化该散射过程呈现粒子性或波动性的程度，"费多塞夫表示，"并很快认识到能运用这一新方法以高度理想化的形式实现这项著名实验。"

在新研究中，团队使用了超过10,000个冷却至微开尔文温度的原子。他们利用激光束阵列将这些冷冻原子排列成间距均匀的类晶格构型。在此构型中，每个原子与其他原子距离足够远，可被视为独立且完全相同的单原子。相较于单原子或双原子体系，10,000个原子能产生更易探测的信号。

研究组推断，通过此构型可用弱光束照射原子，观测单个光子作为波或粒子被两个相邻原子散射的过程。这类似于原始双缝实验中光穿过两条狭缝的情形。

"我们的工作可视为双缝实验的新变体，"克特勒指出，"这些单原子好比人类能构建的最小狭缝。"

调控模糊度

在单光子层面的操作需要大量重复实验，并使用超灵敏探测器记录原子散射的光图案。根据探测光强度，研究人员可直接推断光表现为粒子或波。

他们特别关注半数量子表现为波、半数为粒子的状态。通过调节原子的"模糊度"（即位置确定性），他们实现了光子呈现波或粒子态的概率调控。实验中，10,000个原子均由可调节约束强度的激光固定。原子约束越松散，其空间延展性越大，模糊度越高。模糊度高的原子更易被扰动并记录光子路径。因此，增大原子模糊度可提升光子呈现粒子行为的概率。观测结果与理论描述完全吻合。

移除"弹簧"

实验中，团队检验了爱因斯坦关于探测光子路径的设想。概念上，若每条狭缝刻在由弹簧悬挂的极薄纸片上，穿过狭缝的光子应使对应弹簧产生特定幅度震动，作为光子粒子性的信号。在既往双缝实验实现中，物理学家引入了此类弹簧元件，弹簧在描述光子二象性中起关键作用。

但克特勒团队实现了无需"弹簧"的实验。他们的原子云最初由激光固定，类似于爱因斯坦设想的弹簧悬挂狭缝。研究人员推断，若移除"弹簧"后仍观察到相同现象，则证明弹簧对光子波粒二象性没有影响。

这正是他们的发现。在多次实验中，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完成测量（此时原子尚未因模糊度剧增而受重力下落）。在这极短时间内，原子实质上处于自由漂浮状态。在此无弹簧场景下，团队观察到相同现象：光子的波动性与粒子性无法同时显现。

"许多理论描述赋予弹簧关键作用，"费多塞夫阐释道，"但我们证明弹簧在此无关紧要，唯一重要的是原子模糊度。因此必须采用基于光子与原子量子关联的更深层描述。"

研究人员提到，联合国已将2025年定为国际量子科学与技术年，以纪念量子力学创立一百周年。玻尔与爱因斯坦关于双缝实验的辩论恰发生于该理论创立两年后。

"能在庆祝量子物理之年澄清这一历史性争议，堪称美妙的巧合，"合著者李侑卿表示。

本研究部分由美国国家科学基金会、美国国防部以及戈登和贝蒂·摩尔基金会资助。