爱因斯坦 vs. 玻尔的量子论战孰对孰错？MIT团队最新实验给出答案...¶
MIT物理学家证实：像超人一样，光具有两种无法同时看到的身份
麻省理工学院（MIT）的物理学家完成了量子物理学中最著名实验之一的理想化版本。他们的研究结果以原子级精度展示了光的双重但又难以捉摸的本质。同时，他们也证实，在这一特定量子情境下，阿尔伯特·爱因斯坦的观点是错误的。
实验示意图：两个悬浮在真空腔中的单原子被激光束照射，并充当两条狭缝。散射光的干涉由一台高灵敏度的相机记录下来，相机被描绘为屏幕。不相干光表现为背景，意味着光子作为粒子，仅通过了一条狭缝。
所涉及的实验是双缝实验（double-slit experiment），该实验最早由英国学者托马斯·杨（Thomas Young）于1801年实施，用以展示光的波动性。随着量子力学（quantum mechanics）的建立，双缝实验如今因其简单而令人困惑的现实演示而闻名：光既是粒子也是波。更奇怪的是，这种二象性无法被同时观察。当我们把光看作粒子时，其波动性会立即消失，反之亦然。
最初的实验是让一束光穿过屏幕上的两条平行狭缝，并观察在另一块远处屏幕上形成的图样。直观上，人们会以为会看到两条重叠的光斑，这意味着光是粒子，即光子（photon），就像彩弹一样沿着直线路径传播。但实际上，光在屏幕上产生了一系列明暗相间的条纹——一种类似池塘涟漪相遇时的干涉图样。这表明光表现为波动。更离奇的是，当人们试图测量光究竟通过哪条狭缝时，光立刻表现为粒子，干涉图样随之消失。
如今，双缝实验几乎在所有高中物理课程中都会讲授，用以说明量子力学的一个基本原理：所有物理对象，包括光，既是粒子，也是波。
近一个世纪前，该实验曾引发爱因斯坦与尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）之间的一场友好辩论，到现在已成为量子物理的百年之争。1927年，爱因斯坦认为光子应只通过其中一个狭缝，并在通过过程中对该狭缝施加微弱的力，就像鸟儿飞过时搅动了一片树叶一样。他提出，人们可以同时检测到这种力并观察到干涉图样，从而同时捕捉到光的粒子性和波动性。对此，玻尔运用量子力学的不确定性原理（uncertainty principle）指出，对光子路径的检测会破坏干涉图样。
此后，科学家们实施了多个版本的双缝实验，结果都在不同程度上验证了玻尔的量子理论。如今，MIT物理学家进行了迄今为止最“理想化”的版本的双缝实验。他们将实验简化到最纯粹的量子本质：用单个原子作为狭缝，并使用微弱的光束，使得每个原子至多散射一个光子。通过将原子准备在不同的量子态中，他们能够改变原子获取的光子路径信息。研究人员证实了量子理论的预测：获得的路径信息越多（即光的粒子性越强），干涉图样的可见度就越低。
他们展示了爱因斯坦的错误：每当一个原子被经过的光子“搅动”，波动干涉就会减弱。
MIT团队负责人、2001年诺贝尔物理学奖获得者物理学教授沃尔夫冈·克特尔勒（Wolfgang Ketterle）表示，“爱因斯坦和玻尔从未想到，可以用单个原子和单个光子来进行这样的实验，我们所做的就是一个理想化的思想实验（Gedanken experiment）。”
“我们所做的可以看作是双缝实验的新变体。”Wolfgang Ketterle 与MIT团队成员合影：前排左起为Yoo Kyung Lee和Hanzhen Lin；后排为Jiahao Lyu、Yu-Kun Lu、Wolfgang Ketterle和Vitaly Fedoseev。
他们的研究结果发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）。MIT的共同作者包括第一作者Vitaly Fedoseev、Hanzhen Lin、Yu-Kun Lu、Yoo Kyung Lee和Jiahao Lyu，他们均隶属于MIT物理系、电子研究实验室（Research Laboratory of Electronics）以及MIT-哈佛超冷原子中心（MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms）。
冷禁锢（Cold confinement）
Ketterle 团队的研究对象是被冷却至接近绝对零度的原子和分子，并通过激光光束将其约束在特定构型中。在这些超冷且精确调控的原子云中，会出现一些只在量子单原子尺度下才存在的奇特现象。
在最近的一项实验中，团队原本在研究一个看似无关的问题：探讨光的散射如何揭示由超冷原子构成材料的性质。
“我们意识到，可以量化这种散射过程的粒子性与波动性，并且很快想到，可以将这种新方法应用到以一种非常理想化的方式来实现这个著名实验。”Fedoseev说。
在新的研究中，团队使用了超过1万个原子，将其冷却至微开尔文（microkelvin）温度。研究人员利用激光束阵列将这些冷冻原子排列成间距均匀的晶格状构型。在这种构型下，每个原子彼此间距足够远，可以被视为单个、孤立且完全相同的原子。而1万个原子产生的信号也比单个或少数几个原子更容易检测。
研究人员认为，在这种排列下，他们可以让一束微弱的光穿过这些原子，并观察单个光子如何以波或粒子的形式在两个相邻原子上发生散射。这与最初双缝实验中光通过两个狭缝的情形类似。
“我们所做的可以看作是双缝实验的新变体，” Ketterle说，“这些单原子就像你能建造的最小狭缝。”
调节模糊度（Tuning fuzz）
在单光子水平下实验需要重复多次，并借助超灵敏探测器记录光在原子上的散射图样。通过检测光强度，研究人员可以直接推断光是表现为粒子还是波。
他们尤其关注这样一种情况：一半的光子表现为波，另一半表现为粒子。他们通过一种方法实现了对光子以波或粒子形式出现的概率进行调节：调整原子的“模糊度”，即原子位置的不确定性。在实验中，每个原子都由激光束固定在一定位置，激光的强度可调节得更紧或更松。原子固定得越松，它表现得就越模糊，或者说“空间延展”更大。模糊度更高的原子更容易被“搅动”，并记录下光子的路径。因此，通过调高原子的模糊度，研究人员能够增加光子表现为粒子的概率。他们的观测结果与理论描述完全一致。
弹簧消失（Springs away）
在实验中，团队还测试了爱因斯坦关于如何检测光子路径的设想。设想中，如果每个狭缝切割在极薄的纸片上，并由弹簧悬挂在空气中，那么光子通过某一狭缝时应使相应的弹簧发生轻微震动，这就是光子粒子性的信号。在以往的实验中，物理学家们确实引入过类似弹簧的机制，用来描述光子的二象性。
然而，Ketterle团队在没有“弹簧”的情况下完成了实验。起初，原子云由激光固定，类似于爱因斯坦设想中的由弹簧悬挂的狭缝。研究人员推断，如果去掉这种“弹簧”并仍然观察到完全相同的现象，就能证明弹簧对光的波粒二象性没有影响。
结果正是如此。在多次实验中，他们关闭了固定原子的激光束，并在百万分之一秒内迅速测量，此时原子尚未变得更模糊，也未因重力而坠落。在这极短的时间里，原子几乎相当于在自由空间中漂浮。即使在没有“弹簧”的情况下，研究人员仍然观察到同样的现象：光子的波动性和粒子性无法被同时观察。
“在很多描述中，弹簧被认为起着重要作用。但我们展示了，不，弹簧在这里并不重要；真正重要的是原子的模糊度。”Fedoseev说，“因此，人们必须使用更深刻的描述，即光子与原子之间的量子关联。”
研究人员指出，联合国已将2025年定为“国际量子科学与技术年”，以纪念量子力学诞生100周年。玻尔与爱因斯坦关于双缝实验的讨论则发生在两年后。
“我们能够在庆祝量子物理学百年之际澄清这一历史争论，真是个美妙的巧合。”合著者Lee说道。
这项研究部分得到了美国国家科学基金会（National Science Foundation）、美国国防部（Department of Defense）以及戈登与贝蒂·摩尔基金会（Gordon and Betty Moore Foundation）的支持。