光既是波又是粒子，具有波粒二象性——至少過(guò)去百年間，也就是量子力學(xué)誕生至今，我們一直這樣認(rèn)為。其中關(guān)于光的波動(dòng)性，可向前追溯至1801年，物理學(xué)家托馬斯·楊（Thomas Young)通過(guò)雙縫實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了該基本特性。

　　不過(guò)有趣的是，現(xiàn)在有研究者提出顛覆性觀點(diǎn)，大膽挑戰(zhàn)經(jīng)典雙縫實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，甚至質(zhì)疑光的本質(zhì)。根據(jù)《物理評(píng)論快報(bào)》(

Physical Review Letters

　　在雙縫實(shí)驗(yàn)中，我們無(wú)需將光視作波才能解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，只考慮其粒子本質(zhì)，就可令一切自洽。

　　“許多科學(xué)家都把雙縫實(shí)驗(yàn)當(dāng)作光具有波動(dòng)性的確鑿證據(jù)，其中包括電磁學(xué)經(jīng)典理論創(chuàng)立者詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell)和通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程的羅伯特·密立根(Robert Millikan)等巨匠。但根據(jù)我們的解釋，光只需做粒子就夠了。經(jīng)典的波動(dòng)性理論并非最本質(zhì)詮釋，量子力學(xué)才是?！?/p>

　　在雙縫實(shí)驗(yàn)中，光線穿過(guò)兩個(gè)相鄰的狹縫投射到屏幕上，形成明暗相間的豎直條紋，即“經(jīng)典干涉”圖樣。

　　傳統(tǒng)學(xué)說(shuō)解釋稱：光波通過(guò)狹縫后在屏幕處相遇；當(dāng)一列光波的波峰與另一列的波谷疊加時(shí)，二者相互抵消，屏幕上記錄下暗條紋(即無(wú)光區(qū)域)；當(dāng)兩列光波的波峰疊加時(shí)，則形成明條紋。

　　那么，若假設(shè)光本質(zhì)上只有粒子性而無(wú)波動(dòng)性，正如維拉斯-博阿斯團(tuán)隊(duì)所確信的那樣，又該如何推演得到經(jīng)典條紋圖樣呢？

　　他們采用的數(shù)學(xué)模型以單原子作為屏幕，因?yàn)檫@是最基本的光子探測(cè)器；理論的基礎(chǔ)假定是條紋形成位置僅由狹縫幾何結(jié)構(gòu)及光線通過(guò)時(shí)的偏折方式?jīng)Q定。通過(guò)該模型計(jì)算得到的結(jié)果表明，僅將光視為量子粒子，同樣可產(chǎn)生相同圖樣。

　　原因在于，通過(guò)狹縫的光子會(huì)在特定位置進(jìn)入“暗態(tài)”(dark states)，處于這種量子態(tài)下的光子無(wú)法與其他粒子相互作用，因而不會(huì)在屏幕上留下光斑。換言之，暗條紋并不代表光子(或者說(shuō)光)不存在，而是部分光子具有規(guī)避探測(cè)的量子特性的體現(xiàn)。

　　維拉斯-博阿斯的合著者、德國(guó)馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所的物理學(xué)家格哈德·倫佩(Gerhard Rempe)表示新結(jié)論令他們自己都無(wú)比震撼：“光子實(shí)際上遍布所有地方，但存在于暗條紋區(qū)域的光子無(wú)法激發(fā)原子——這種顛覆性解釋打碎了關(guān)于經(jīng)典干涉原理的認(rèn)知?！?/p>

　　不少未參與該工作的同行都認(rèn)同這一新理論框架或?qū)⒁I(lǐng)的基礎(chǔ)物理學(xué)重大變革，但與此同時(shí)也對(duì)其持保留態(tài)度。畢竟，如此大膽的主張，需要經(jīng)受?chē)?yán)格檢驗(yàn)。

　　波粒二象性概念的確立離不開(kāi)雙縫實(shí)驗(yàn)。不僅是光子，電子、原子乃至某些分子都在雙縫實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了經(jīng)典干涉圖樣。

　　這種圖樣可以通過(guò)波動(dòng)方程推導(dǎo)，并一直被視為波動(dòng)現(xiàn)象。因此早期量子物理學(xué)家驚訝于具有與波相反特性的粒子實(shí)體竟都能產(chǎn)生相同圖樣。波粒二象性理論由此應(yīng)運(yùn)而生：世間萬(wàn)物皆可根據(jù)特定情境呈現(xiàn)波動(dòng)性或粒子性，只是這二象無(wú)法同顯。當(dāng)然，盡管當(dāng)代物理學(xué)家普遍接受波粒二象性概念，但它始終是量子理論里最令人費(fèi)解的特性之一。

　　“眼下，我們依然可以繼續(xù)用波的相消與相長(zhǎng)來(lái)解釋涉及經(jīng)典場(chǎng)和單光子的干涉現(xiàn)象，但新理論似乎提供了更完整而自洽的框架——僅以光的粒子性為依據(jù)。這樣的視角令人著迷?！币獯罄麌?guó)家光學(xué)研究所的研究主任馬可·貝利尼(Marco Bellini)感嘆道。

　　倫佩指出，新框架或許還可解釋為何雙縫實(shí)驗(yàn)的某些改動(dòng)會(huì)產(chǎn)生超乎預(yù)期的影響。

　　例如，若在某一狹縫添加探測(cè)器(以觀測(cè)光子穿過(guò)狹縫)，屏幕上就不再有的干涉條紋顯示，轉(zhuǎn)而呈現(xiàn)兩個(gè)對(duì)應(yīng)狹縫的亮斑——這種現(xiàn)象匹配粒子而非波的特性。引入探測(cè)器怎就將電磁波誘導(dǎo)成光子流了？在維拉斯-博阿斯介紹的理論框架內(nèi)，“觀察者改變光子現(xiàn)實(shí)”這樣的悖論不復(fù)存在。

　　“觀測(cè)行為如何影響量子客體這一根本問(wèn)題，始終是量子物理學(xué)中復(fù)雜又懸而未決的爭(zhēng)論根源。新理論將光視為純粹的粒子，為解決爭(zhēng)論提供了路徑?！?/p>

　　紐約市立大學(xué)萊曼學(xué)院教授克里斯托弗·格里(Christopher Gerry)指出，光有暗態(tài)的概念其實(shí)早于上述研究。

　　“新觀點(diǎn)很有趣，但也會(huì)引發(fā)爭(zhēng)議。若能以實(shí)驗(yàn)作驗(yàn)證，理論會(huì)更具說(shuō)服力?；蛟S它可以用于補(bǔ)充解釋傳統(tǒng)的光干涉，但后者短期內(nèi)不會(huì)退出歷史舞臺(tái)?！?/p>

　　馬德里康普頓斯大學(xué)研究院路易斯·桑切斯-索托(Luis Sánchez-Soto)認(rèn)為，目前尚不清楚這種顛覆性的詮釋能否揭示新的光學(xué)現(xiàn)象或催生量子物理新實(shí)驗(yàn)。

　　“關(guān)鍵在于，它是‘為了什么’？新理論的形式固然優(yōu)雅，但它還要展現(xiàn)更多內(nèi)容?！?/p>

　　維拉斯-博阿斯透露，他們已完成一項(xiàng)針對(duì)單個(gè)帶電原子的初步實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并收獲有力支持理論的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：聲子(可理解為粒子狀的振動(dòng)能量單元)的明暗態(tài)同樣可用來(lái)解釋干涉現(xiàn)象。他目前正基于暗光子和亮光子概念，重新分析一種發(fā)射脈沖(而非連續(xù)光束)的特殊激光器——若理論模型正確，此類激光可能也由一束束或明或暗的光子構(gòu)成。

　　貝利尼覺(jué)得，尋找“看見(jiàn)”暗光子的方法將是很有趣的探索。倫佩則表示：“現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)教科書(shū)恐怕需要增加新章節(jié)了?！?/p>