愛因斯坦vs玻爾的量子論戰(zhàn)孰對孰錯(cuò)？MIT團(tuán)隊(duì)最新實(shí)驗(yàn)給出答案……

設(shè)置星標(biāo) 關(guān)注，從此你的世界多點(diǎn)科學(xué)~

美國麻省理工學(xué)院(MIT)的科學(xué)家以迄今為止最精準(zhǔn)而清晰的方式完成了經(jīng)典雙縫實(shí)驗(yàn)。他們使用兩個(gè)單原子作為狹縫，通過測量光子散射后原子屬性的細(xì)微變化來推斷光子路徑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合量子理論的預(yù)測：未觀測路徑時(shí)出現(xiàn)干涉條紋，觀測時(shí)則出現(xiàn)兩個(gè)亮斑。

雙縫實(shí)驗(yàn)由托馬斯·楊（Thomas Young）于1801年首次完成，之后被重現(xiàn)多次。實(shí)驗(yàn)裝置相當(dāng)簡單，只要將光線射向擋板上的一對狹縫，接著觀察現(xiàn)象即可。實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻極不尋常：

若依楊氏實(shí)驗(yàn)?zāi)前悴粚Υ┻^狹縫的光線進(jìn)行觀測，屏幕上會(huì)出現(xiàn)明暗相間的干涉條紋，如同池塘里漣漪交疊；但只要嘗試觀測光子會(huì)具體通過哪條狹縫，正如1920年代愛因斯坦提出的“思想實(shí)驗(yàn)”以及后來其他物理學(xué)家實(shí)驗(yàn)演示的那樣，干涉條紋就不見了，取而代之的是兩個(gè)亮斑。

由此可見，光呈現(xiàn)波動(dòng)性(條紋)抑或粒子性(亮斑)取決于是否被觀測——現(xiàn)實(shí)本身似乎會(huì)因觀測行為而改變。

愛因斯坦-玻爾百年量子之爭

愛因斯坦難以接受這樣的結(jié)論，并與和自己同時(shí)代的量子力學(xué)大家尼爾斯·玻爾展開學(xué)術(shù)論戰(zhàn)。

前者認(rèn)為：觀測之所以產(chǎn)生影響，僅是因?yàn)橐肓烁蓴_；若將狹縫設(shè)置于彈簧上，通過測量反沖即可揭示光子路徑，與此同時(shí)不破壞干涉條紋。

玻爾則反駁：若要精確測量光子反沖以明確其路徑，必然會(huì)模糊狹縫位置，導(dǎo)致干涉消失。此難題并非技術(shù)缺陷而源于自然法則，也就是他提出的互補(bǔ)原理(Complementarity Principle)——量子系統(tǒng)可以表現(xiàn)波動(dòng)性，也可以表現(xiàn)粒子性，但無法同時(shí)表現(xiàn)兩種特性。

后來物理學(xué)家開展的各種版本實(shí)驗(yàn)結(jié)果均支持玻爾觀點(diǎn)。不過鑒于真實(shí)實(shí)驗(yàn)裝置總不可避免地發(fā)生如愛因斯坦所言的干擾，學(xué)界始終懷疑，玻爾的這條反直覺法則是否為根本真理？

原子作狹縫，模糊引坍縮

聯(lián)合國教科文組織此前將2025年正式設(shè)立為國際量子科學(xué)技術(shù)年。在這項(xiàng)貫穿全年的全球性科技活動(dòng)中，許多學(xué)者都樂于介紹最新研究進(jìn)展以致敬和歡慶。

德國物理學(xué)家沃爾夫?qū)た颂乩?Wolfgang Ketterle)領(lǐng)銜的麻省理工團(tuán)隊(duì)選擇直接實(shí)踐愛因斯坦的思想實(shí)驗(yàn)。

他們首先將一萬多個(gè)銣原子冷卻至接近絕對零度并束縛于激光形成的晶格中，讓每個(gè)原子充當(dāng)獨(dú)立的光散射體。當(dāng)有微弱光束穿透該晶格時(shí)，單個(gè)光子就能被原子散射。

由于光束非常微弱，研究團(tuán)隊(duì)在每個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)都只收集到極少信息。他們不得不重復(fù)數(shù)千次實(shí)驗(yàn)以求積累足量數(shù)據(jù)。

每次實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于控制原子提供的光子路徑信息量。克特勒等人通過調(diào)節(jié)激光阱來精確控制原子位置的“模糊度”。

被緊密束縛的原子位置明確；根據(jù)海森堡不確定性原理，此類原子給不出太多光子路徑信息。因此在這些實(shí)驗(yàn)中，干涉條紋出現(xiàn)了。反之，松散束縛的原子具有更大位置不確定性且能夠移動(dòng)，若被光子擊中，會(huì)留下相互作用的痕跡。位置模糊最終導(dǎo)致干涉條紋坍縮，只留下亮斑，也令玻爾理論再次得到驗(yàn)證。

上圖為克特勒團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)的原理示意：懸浮于真空腔室內(nèi)的兩個(gè)單原子被激光束照射后充當(dāng)了雙狹縫結(jié)構(gòu)，散射光的干涉圖樣被一個(gè)高靈敏度相機(jī)(作為屏幕)記錄下來。非相干光作為背景出現(xiàn)，表明光子以粒子形態(tài)僅穿過單一狹縫。

克特勒等人并非首個(gè)測量束縛原子散射光的團(tuán)隊(duì)，但此項(xiàng)工作是第一次移除束縛裝置、在原子自由懸浮狀態(tài)下重復(fù)測量的實(shí)驗(yàn)。其設(shè)計(jì)對比愛因斯坦的彈簧狹縫構(gòu)想更進(jìn)一步，也排除了束縛裝置干擾觀測結(jié)果的可能性 ( 因?yàn)閷?shí)驗(yàn)結(jié)果并未改變 ) 。

新成果刊載于7月的《物理評論快報(bào)》(

Physical Review Letters

沃爾夫?qū)た颂乩?右二)及其實(shí)驗(yàn)室成員

麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步探究——當(dāng)每個(gè)晶格位點(diǎn)存在兩個(gè)原子時(shí)，會(huì)發(fā)生什么？

資料來源：

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