麻省理工學院的物理學家利用超冷原子和光子重現(xiàn)了雙縫實驗，證實了量子理論并解決了愛因斯坦和玻爾之間的爭論，其結(jié)果證明愛因斯坦在持續(xù)百年的波粒二象性爭論中錯了，尼爾斯·玻爾是對的

麻省理工學院利用原子測試了光的波粒二象性，解決了愛因斯坦和玻

在一場令人矚目的量子物理學展示中，一組研究人員以前所未有的精度重現(xiàn)了科學史上最具傳奇色彩的實驗之一。在麻省理工學院，科學家們將數(shù)千個原子冷卻至接近絕對零度，用激光將它們排列成整齊的晶格，然后利用這些原子散射單個光子。

這個實驗是雙縫實驗的現(xiàn)代版本，旨在測試光的行為是波還是粒子。這是一個古老的問題，但現(xiàn)在卻以一種令人印象深刻的純粹而直接的方式得到了解答。

這些結(jié)果不僅加深了人們對量子力學的理解，也證明了偉大的科學巨人阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)對實驗的解釋存在缺陷。他的想法——即可能同時測量光的路徑及其干涉圖樣——在原子層面上被檢驗時，卻站不住腳。

二十世紀最偉大的科學家阿爾伯特·愛因斯坦

這種對經(jīng)典量子思想實驗的現(xiàn)代解讀，展現(xiàn)了科技與最抽象的科學理念相遇時所能產(chǎn)生的巨大可能性。它也澄清了物理學中最著名的爭論之一，該爭論最早發(fā)生在近100年前愛因斯坦和尼爾斯·玻爾(Niels . Bohr)之間。

偉大的丹麥物理學家尼爾斯·玻爾

重新審視經(jīng)典實驗

雙縫實驗經(jīng)常在高中課堂上被引入，用來解釋量子的奇異性。該實驗由托馬斯·楊于1801年首次完成，最初表明光的行為類似于波。

托馬斯·楊(Thomas Young)是一位英國科學家、醫(yī)生、無所不知的“萬能天才”。其傳記作者，現(xiàn)代英國作家安德魯·羅賓森譽他為“世上最后一位無所不知之人”。

被譽為無所不知的“萬能天才”托馬斯·楊

后來，隨著量子理論的興起，它也成為光的行為類似于粒子（或光子）的證據(jù)。

在最初的設(shè)置中，光穿過兩個狹縫，到達一個屏幕。如果光子僅像粒子一樣運動，它們會形成兩個亮點。相反，除非你測量光子穿過了哪個狹縫，否則它們會形成波狀干涉圖樣。一旦你嘗試測量路徑，干涉圖樣就會消失，光就會像粒子流一樣運動。

這一奇特結(jié)果引發(fā)了多年的科學爭論。愛因斯坦認為，如果光子在穿過狹縫時引起微小的“踢動”，它的路徑就可以被追蹤。他認為，這或許能讓我們同時觀察到光子的路徑和干涉圖樣。玻爾不同意這一觀點，他利用不確定性原理論證任何測量都會破壞干涉圖樣。他的解釋成為了量子理論的關(guān)鍵組成部分。然而，愛因斯坦并不信服。

更小、更冷、更清晰

為了更純粹地驗證這個想法，沃爾夫?qū)P特勒(Wolfgang Ketterle)和他的麻省理工學院團隊使用了超冷原子。他們用激光將超過10,000個原子困在一個緊密的網(wǎng)格中，并將它們冷卻到微開爾文溫度。這略高于絕對零度，原子的行為完全以量子方式進行。這些原子充當了迄今為止使用過的最小的狹縫。

早期實驗使用固定狹縫或物理屏障。但在這里，每個原子都是獨立的、完全相同的，并且只準備與一個光子相互作用。研究人員向陣列照射了一束弱光。大多數(shù)原子每個只散射一個光子。

參與這項研究的麻省理工學院團隊

他們調(diào)整了原子的“模糊性”，即原子位置的可識別程度。模糊的原子會泄露更多關(guān)于光子路徑的信息，這使得干涉圖樣變?nèi)酢６斣游恢酶逦鷷r，泄漏的路徑信息更少，這使得干涉圖樣更強。他們通過收緊或放松激光阱來調(diào)整模糊性，從而控制光的行為更像粒子還是波。

光、模糊性和量子關(guān)聯(lián)

他們的研究成果發(fā)表在《物理評論快報》上。結(jié)果表明，當路徑信息越多時，干涉圖樣越弱。這一結(jié)果與量子理論相符，并支持玻爾的解釋。愛因斯坦曾設(shè)想，光子會干擾單縫，就像鳥兒拂過樹枝一樣。

但實驗并不支持這一觀點。凱特勒團隊發(fā)現(xiàn)，物理擾動或“彈簧”裝置并不重要。關(guān)鍵在于量子模糊性——原子位置的不確定性。

凱特勒說：“愛因斯坦和玻爾從未想過可以用單個原子和單個光子進行這樣的實驗。我們現(xiàn)在所做的是一個理想化的思想實驗?！?/p>

主要研究參與者維塔利·費多謝耶夫(Vitaly Fedoseev)說：“我們意識到我們可以量化這種散射過程像粒子或波的程度。” 該團隊可以測量一個光子在兩個原子之間散射的方式，就像光穿過狹縫一樣。

兩個原子波包的光散射

剪斷琴弦——結(jié)果依然一樣

為了測試擾動——愛因斯坦的“彈簧”的作用，研究團隊做了一些改變。起初，原子被激光固定在原地，就像用彈簧固定狹縫一樣。在之后的試驗中，他們關(guān)閉了激光，讓原子自由漂浮。他們在幾微秒內(nèi)測量到了散射，之后重力會將原子拉下或使其變得模糊。

結(jié)果與之前原子被束縛時的結(jié)果相符。這表明類似彈簧的裝置不會影響光子的行為。

費多謝耶夫解釋說：“在許多描述中，彈簧起著重要作用。但我們表明，彈簧在這里并不重要；重要的只是原子的模糊性?！?“我們必須使用更深刻的描述，即利用光子和原子之間的量子關(guān)聯(lián)。”

因此，導致這種變化的不是任何物理運動，而是光子和原子之間共享了多少量子信息。

膨脹波包的光散射，鋰原子在光學晶格中處于莫特絕緣態(tài)

量子之年，量子之果

這項實驗來得正是時候。聯(lián)合國將2025年定為國際量子科學技術(shù)年。這標志著量子力學誕生100周年。玻爾和愛因斯坦的辯論就發(fā)生在那之后的兩年，即1927年。如今，近一個世紀過去了，麻省理工學院的科學家們給出了迄今為止最清晰的答案之一。

量子百年

他們的實驗版本使用單個原子作為盡可能最小的狹縫。它證實了波粒二象性取決于量子不確定性。你不可能知道光子的路徑，卻仍然能看到它的波動模式。雖然這可能不會改變量子理論本身，但它證明了技術(shù)已經(jīng)取得了多大的進步。它讓科學家們能夠用更清晰、更清晰的實驗重新審視那些古老的問題。