 信息來源：麻省理工學(xué)院新聞， 麻省理工學(xué)院物理學(xué)家通過史上最精密的雙縫實(shí)驗(yàn)，在原子級(jí)別上證實(shí)了量子力學(xué)的基本原理，并最終解決了愛因斯坦和玻爾之間持續(xù)近一個(gè)世紀(jì)的理論爭(zhēng)辯。這項(xiàng)發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的研究成果，將經(jīng)典的雙縫實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)化到其量子本質(zhì)，使用單個(gè)原子作為狹縫，創(chuàng)造了迄今為止最理想化的實(shí)驗(yàn)條件。 自1801年托馬斯·楊首次進(jìn)行雙縫實(shí)驗(yàn)以來，這一簡(jiǎn)單而深刻的實(shí)驗(yàn)一直是理解光的波粒二象性的關(guān)鍵工具。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)通過讓光束穿過兩個(gè)平行狹縫，觀察遠(yuǎn)處屏幕上形成的干涉圖樣，揭示了光的波動(dòng)特性。然而，當(dāng)科學(xué)家試圖探測(cè)光子穿過哪個(gè)狹縫時(shí)，干涉圖樣立即消失，光子表現(xiàn)出粒子特性。 麻省理工學(xué)院沃爾夫?qū)P特勒教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)將這一實(shí)驗(yàn)推向了新的極限。他們使用超過一萬個(gè)被冷卻至微開爾文溫度的原子，通過激光束陣列將其排列成精確的晶格結(jié)構(gòu)。在這種配置下，每個(gè)原子都充當(dāng)一個(gè)獨(dú)立的狹縫，而研究人員使用如此微弱的光束，以至于每個(gè)原子最多只能散射一個(gè)光子。 實(shí)驗(yàn)的核心創(chuàng)新在于研究人員發(fā)現(xiàn)了一種調(diào)節(jié)光子波粒二象性的方法。通過調(diào)整束縛原子的激光強(qiáng)度，他們能夠控制原子的'模糊性'或其位置的不確定性。原子束縛得越松散，它就越模糊，也更容易移動(dòng)并記錄光子的路徑信息。這種模糊性直接影響了光子表現(xiàn)為波還是粒子的概率。 研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，獲得的關(guān)于光子路徑的信息越多，干涉圖樣的可見度就越低。這一發(fā)現(xiàn)完美驗(yàn)證了量子力學(xué)的互補(bǔ)性原理：光的波動(dòng)性和粒子性無法同時(shí)被完整觀測(cè)。 1927年，愛因斯坦曾提出一個(gè)巧妙的設(shè)想：如果將雙縫裝置用彈簧懸浮，那么穿過狹縫的光子應(yīng)該會(huì)對(duì)相應(yīng)的彈簧產(chǎn)生微小的沖擊力，這樣就能在觀察干涉圖樣的同時(shí)探測(cè)光子的路徑。玻爾運(yùn)用量子力學(xué)的不確定性原理反駁了這一觀點(diǎn)，認(rèn)為任何探測(cè)光子路徑的嘗試都會(huì)破壞干涉圖樣。 為了直接驗(yàn)證這一爭(zhēng)論，凱特勒?qǐng)F(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一個(gè)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)：他們關(guān)閉了固定原子的激光器，讓原子在重力作用下自由下落，在這種完全沒有'彈簧'的情況下進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果顯示，即使在原子完全自由的狀態(tài)下，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象依然保持不變，證明了彈簧的存在與否并不影響光的波粒二象性。 量子關(guān)聯(lián)的深層理解這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光的波粒二象性并非源于機(jī)械的相互作用，而是來自光子與原子之間更深層的量子關(guān)聯(lián)。研究人員指出，重要的不是物理的'彈簧'機(jī)制，而是原子量子態(tài)的模糊性程度。 第一作者維塔利·費(fèi)多謝耶夫解釋說：'在許多描述中，彈簧起著重要作用。但我們證明，彈簧在這里并不重要；重要的只是原子的模糊性。因此，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)。' 這項(xiàng)研究的技術(shù)成就同樣令人矚目。研究團(tuán)隊(duì)必須在單光子水平上進(jìn)行數(shù)千次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，使用超靈敏探測(cè)器記錄原子散射光的模式。他們能夠在不到百萬分之一秒的極短時(shí)間內(nèi)完成測(cè)量，展現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)技術(shù)的精密程度。 凱特勒教授表示：'愛因斯坦和玻爾從未想過，用單個(gè)原子和單個(gè)光子進(jìn)行這樣的實(shí)驗(yàn)是可能的。我們做的是一個(gè)理想化的'思想'實(shí)驗(yàn)。' 這項(xiàng)研究不僅解決了物理學(xué)史上的一個(gè)重要爭(zhēng)論，也為未來的量子技術(shù)發(fā)展提供了新的見解。在聯(lián)合國宣布的2025年國際量子科學(xué)技術(shù)年中，這一成果具有特殊的紀(jì)念意義，標(biāo)志著人類對(duì)量子世界理解的又一次重大進(jìn)步。 |
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