爱因斯坦错了：麻省理工学院终结了一场长达百年的量子论争

该实验即著名的双缝实验，由英国学者托马斯·杨于1801年首次完成，旨在展示光的波动特性。随着量子力学的建立，如今这个实验以其惊人的简洁性揭示了一个令人费解的真相：光同时具有粒子与波的双重特性。更奇妙的是，这种二象性无法被同时观测——当光以粒子形态被观测时，其波动性立即消失，反之亦然。

原始实验中，光束穿过屏幕上的两条平行狭缝后，在远处第二块屏幕上形成特定图案。若光仅表现为粒子（即光子），应出现两个重叠的光斑，就像沿直线运动的彩弹。但实际呈现的却是明暗相间的干涉条纹，宛如池塘中两列水波相遇时的干涉图样，这证实了光的波动性。最诡异的是，当试图测量光子具体通过哪条狭缝时，光立即表现出粒子性，干涉条纹随之消失。

如今双缝实验被纳入高中物理课程，作为阐释量子力学基本原理的经典案例：包括光在内的所有物理实体都同时具备波粒二象性。

约一个世纪前，这场实验成为爱因斯坦与尼尔斯·玻尔学术论战的核心。1927年，爱因斯坦提出光子应仅穿过其中一条狭缝，并像飞鸟掠过树叶般对狭缝产生微弱作用力。他认为可在保持干涉条纹的同时检测这种作用力，从而同时捕捉光的波粒特性。玻尔则运用量子力学不确定性原理证明：任何对光子路径的探测都会破坏干涉图样。

后续科学家进行了多个版本的双缝实验，不同程度验证了玻尔量子理论的正确性。近期MIT物理学家完成了迄今最"理想化"的实验版本：他们将实验精简至量子本质层面，使用单个原子作为狭缝，采用弱光束确保每个原子至多散射一个光子。通过将原子制备在不同量子态，他们能调控原子获取的光子路径信息。研究结果完美契合量子理论预言：获取的路径信息（粒子性）越多，干涉条纹可见度就越低。

团队证实了爱因斯坦的误区：每当原子被光子"扰动"，波干涉效应就会减弱。

"爱因斯坦和玻尔绝对想不到，能用单原子和单光子实现这种实验。"MIT物理系约翰·麦克阿瑟教授、团队负责人沃尔夫冈·克特勒表示，"我们完成的是理想化的思想实验。"

该成果发表于《物理评论快报》，共同作者包括第一作者维塔利·费多谢耶夫、韩振林、卢宇坤、李侑京和吕嘉豪，他们均来自MIT物理系、电子研究实验室及MIT-哈佛超冷原子中心。

极寒囚禁

克特勒团队将原子和分子冷却至接近绝对零度，并用激光束将其固定成特定构型。在这些超冷且精密调控的原子云中，量子尺度的奇异现象得以显现。

在近期实验中，团队意外发现光散射可揭示超冷原子材料的特性。"我们意识到能定量表征散射过程的波粒属性，很快认识到这套新方法能以理想方式重现著名实验。"费多谢耶夫解释道。

新研究中，团队将万余个原子冷却至微开尔文温度，用激光阵列将其排列成晶格结构。这种构型中每个原子间距足够远，可视为独立全同的量子体系。相比单原子，上万个原子能产生更易检测的信号。

团队设想：让弱光束穿过这些原子，观察单个光子作为波或粒子与相邻原子的散射过程，这类似于传统双缝实验中光通过两条狭缝的行为。"我们实现了双缝实验的新变体，"克特勒说，"这些单原子就像能建造的最小狭缝。"

调控模糊度

为在单光子层面开展工作，团队需重复实验并使用超灵敏探测器记录原子散射的光图案。通过光强分析可直接推断光的波粒行为。

他们特别关注光子半波半粒的叠加态，通过调节原子的"模糊度"（位置确定性）来实现。实验中每个原子被可调激光束缚：束缚越松散，原子空间分布越模糊。模糊度越高的原子越易被扰动，从而记录光子路径。因此增加原子模糊度会提升光子表现粒子性的概率，观测结果与理论预测完全吻合。

撤除弹簧

团队验证了爱因斯坦关于光子路径检测的设想。类比而言，若将狭缝刻在由弹簧悬挂的极薄纸片上，光子穿过时应使对应弹簧产生可检测的振动。以往实验中，这种弹簧机制对描述波粒二象性至关重要。

但克特勒团队实现了无弹簧的实验：最初用激光束固定原子云（类似弹簧悬挂狭缝的概念）。当关闭束缚激光后，在百万分之一秒内（原子尚未因重力下落前）进行测量。在这段微观时间内，原子实际处于自由漂浮状态，但团队仍观测到相同现象——光子的波粒属性无法同时显现。

"许多理论中弹簧机制很关键，但我们证明其并非必要，"费多谢耶夫指出，"真正重要的是原子模糊度。这要求采用更深刻的量子关联描述。"

值得关注的是，联合国将2025年定为"国际量子科学与技术年"，恰逢量子力学建立百年。玻尔与爱因斯坦关于双缝实验的论战就发生在两年后。"能在庆祝量子物理百年之际澄清这个历史争议，真是美妙的巧合。"合著者李侑京表示。

该研究获得美国国家科学基金会、国防部及戈登与贝蒂·摩尔基金会支持。