爱因斯坦错了：麻省理工学院刚刚终结了一场长达百年的量子争议

所讨论的实验是双缝实验，该实验于1801年由英国学者托马斯·杨首次进行，旨在展示光如何表现为波。如今，随着量子力学的建立，双缝实验因其以惊人简单的方式演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到。将光视为粒子形态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通过屏幕上两条平行的狭缝，并在远处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斑，这意味着光作为粒子（即光子）存在，就像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，形成类似于池塘中两个涟漪相遇时产生的干涉图样。这表明光的行为像波。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，干涉图样随即消失。

如今，双缝实验作为阐明量子力学基本原理（即包括光在内的所有物理对象都是粒子与波的统一体）的简单方法，在大多数高中物理课堂中被教授。

近一个世纪前，该实验成为物理学家阿尔伯特·爱因斯坦与尼尔斯·玻尔友好争论的核心。1927年，爱因斯坦认为光子粒子应仅穿过两条狭缝中的一条，并在该过程中对狭缝产生微弱的作用力，宛如飞鸟掠过时轻拂树叶。他提出可在观测干涉图样的同时探测到这种作用力，从而同时捕捉光的粒子性与波动性。对此，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将会抹除干涉图样。

此后，科学家们进行了多个版本的双缝实验，这些实验在不同程度上都证实了玻尔建立的量子理论的有效性。如今，麻省理工学院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：使用单个原子作为狭缝，并采用弱光束以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，他们能够调控原子获取光子路径信息的程度。研究人员由此证实了量子理论的预测：获得光的路径信息（即粒子性）越多，干涉图样的可见度就越低。

他们揭示了爱因斯坦的认知偏差：每当原子被经过的光子"轻拂"，波动干涉就会减弱。

"爱因斯坦和玻尔绝不会想到能用单个原子和单光子完成这样的实验，"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，"我们所做的是一个理想化的思想实验。"

他们的研究成果发表于《物理评论快报》期刊。克特勒在麻省理工学院的合作者包括第一作者维塔利·费多谢耶夫、林瀚臻、卢宇坤、李侑京和吕嘉豪，他们均隶属于麻省理工学院物理系、电子学研究实验室以及MIT-哈佛超冷原子中心。

超冷约束

克特勒团队在麻省理工学院用原子和分子进行实验：他们将样品冷却至接近绝对零度的温度，并用激光约束成特定构型。在这些经过精密调控的超冷原子云中，仅存在于量子单原子尺度的奇异现象得以显现。

在近期实验中，该团队正在研究一个看似无关的问题：探索光散射如何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的粒子性与波动性程度，并迅速认识到能应用这种新方法以高度理想化的方式实现这个著名实验，"费多谢耶夫解释道。

在新研究中，团队操控超过10,000个原子并将其冷却至微开尔文温度。他们采用激光阵列将冷冻原子排列成间距均匀的类晶体晶格构型。在此构型中，每个原子与其他原子距离足够远，均可被视为独立、孤立且全同的原子。相比单个或两个原子，10,000个此类原子能产生更易探测的信号。

团队推断通过此构型，可让弱光束穿过原子阵列，观察单个光子作为波或粒子从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全新变体，"克特勒指出，"这些单原子堪称可构建的最小狭缝。"

调控模糊度

在单光子层面工作需重复实验多次，并使用超灵敏探测器记录原子散射的光模式。根据探测到的光强度，研究人员可直接推断光表现为粒子还是波。

他们特别关注半数量子表现为波、半数表现为粒子的情形。通过调控原子的"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节。实验中，10,000个原子均被固定于可调节约束强度的激光场内。原子约束越松散，其空间延展性越强，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，提升原子模糊度可增加光子呈现粒子态的概率。观测结果与理论描述完全吻合。

无弹簧验证

实验中，团队验证了爱因斯坦探测光子路径的构想。概念上，若每条狭缝刻在由弹簧悬挂的极薄纸片上，光子穿过狭缝时应使对应弹簧产生特定幅度振动——这将成为光子粒子性的信号。在既往的双缝实验实现中，物理学家引入了此类弹簧元件，弹簧在描述光子二象性时起关键作用。

但克特勒及其同事成功在无弹簧条件下完成了实验。团队最初用激光固定原子云，类似于爱因斯坦设想的弹簧悬挂狭缝。研究人员推断：若撤除"弹簧"后仍能观测到完全相同现象，则证明弹簧对光子波粒二象性无实质影响。

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，原子实际处于自由漂浮状态。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观测。

"许多理论描述赋予弹簧关键作用。但我们证明弹簧在此无关紧要，唯一重要的是原子的模糊度，"费多谢耶夫强调，"因此必须采用更深刻的量子理论描述——即光子与原子间的量子关联。"

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此后仅两年。

"值此庆祝量子物理之年，我们能帮助厘清这一历史性争论，实为美妙的巧合，"合著者李侑京表示。

该研究得到了美国国家科学基金会、美国国防部以及戈登与贝蒂·摩尔基金会的部分支持。