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        麻省理工学院的物理学家对量子物理学中最著名的实验之一进行了理想化版本。 他们的发现以原子级精度证明了光的双重性但规避性。 他们还恰好证实了阿尔伯特·爱因斯坦对这种特定量子情景的看法是错误的。

         所讨论的实验是双缝实验，该实验由英国学者托马斯·杨 （Thomas Young） 于 1801 年首次进行，旨在展示光如何表现为波。 今天，随着量子力学的表述，双缝实验现在以其令人惊讶的简单演示而闻名：光既以粒子形式存在，又以波的形式存在。 更奇怪的是，这种二元性不能同时被观察到。 看到粒子形式的光会立即掩盖其波状性质，反之亦然。

         最初的实验涉及将一束光照射在屏幕上的两个平行狭缝中，并观察屏幕上形成的图案第二，远屏。 人们可能会期望看到两个重叠的光点，这意味着光以粒子的形式存在，又名 光子，就像遵循直接路径的彩弹一样。 但相反，光线在屏幕上产生交替的明暗条纹，其干扰模式类似于池塘中的两个涟漪相遇时发生的情况。 这表明光表现为波。 更奇怪的是，当人们试图测量光线穿过哪个狭缝时，光突然表现为粒子，干涉图案消失。

         如今，大多数高中物理课都教授双缝实验，作为说明量子力学基本原理的简单方法：包括光在内的所有物理对象同时是粒子和波。

         近一个世纪前，该实验是物理学家阿尔伯特·爱因斯坦和尼尔斯·玻尔之间友好辩论的中心。 1927年，爱因斯坦认为光子粒子应该只穿过两个缝隙中的一个，并在此过程中在该缝隙上产生轻微的力，就像鸟儿在飞过时沙沙作响的叶子一样。 他提出，人们可以在观察干涉图案的同时检测到这样的力，从而同时捕捉光的粒子和波的性质。 作为回应，玻尔应用了量子力学不确定性原理，并表明光子路径的检测将消除干涉图案。

         科学家此后携带了双缝实验的多个版本，它们都在不同程度上证实了玻尔制定的量子理论的有效性。 现在，麻省理工学院的物理学家已经进行了迄今为止最“理想化”的双缝实验版本。 他们的版本将实验精简到量子要点。 他们使用单个原子作为狭缝，并使用微弱的光束，使每个原子最多散射一个光子。 通过制备不同量子态的原子，它们能够修改原子获得的有关光子路径的信息。 研究人员因此证实了量子理论的预测：获得的有关路径的信息越多（即 粒子性质）的光，干涉图案的可见度越低。

         他们证明了爱因斯坦犯了什么错误。 每当原子被经过的光子“沙沙作响”时，波干扰就会减少。

         “爱因斯坦和玻尔永远不会想到这是用单原子和单光子进行这样的实验是可能的，“约翰·凯特勒 （John D.） 麦克阿瑟物理学教授，麻省理工学院团队负责人。 “我们所做的是一次理想化的 Gedanken 实验。”

         他们的结果发表在杂志上物理评论快报. Ketterle 在麻省理工学院的合著者包括第一作者 Vitaly Fedoseev、Hanzhen Lin、Yu-Kun Lu、Yoo Kyung Lee 和 Jiahao Lyu，他们都隶属于麻省理工学院物理系、电子学和麻省理工学院-哈佛大学超冷原子中心。

         冷约束麻省理工学院的

         Ketterle 小组对原子和分子进行实验，它们将原子和分子过冷到略高于绝对零度的温度，并排列成它们用激光限制的配置。 在这些经过精心调校的超冷云中，可能会出现仅在量子单原子尺度上发生的奇异现象。

         在最近的一项实验中，该团队正在调查一个看似无关的问题，研究光散射如何揭示由超冷原子构成的材料的特性。

         “我们意识到我们可以量化这种散射过程在多大程度上像粒子或波，我们很快意识到我们可以应用这种新方法以一种非常理想化的方式实现这个著名的实验，”费多塞耶夫说。

         在他们的新研究中，该团队使用了 10,000 多个原子，并将其冷却到微开尔文温度。 他们使用一系列激光束来排列将原子冻结成均匀分布的晶体状晶格构型。 在这种排列中，每个原子与任何其他原子的距离都足够远，以至于每个原子都可以有效地被视为单个、孤立和相同的原子。 与一两个原子相比，10,000 个这样的原子可以产生更容易检测到的信号。

         该小组推断，通过这种布置，他们可能会通过原子照射一束微弱的光束，并观察单个光子如何从两个相邻的光子上散射原子，作为波或粒子。 这类似于在最初的双缝实验中，光线穿过两个狭缝的方式。

         “我们所做的可以被视为双缝实验的新变体，”Ketterle 说。 “这些单个原子就像你可能建造的最小的狭缝。”

         调谐模糊

         在单光子水平上工作需要多次重复实验，并使用超灵敏探测器记录光散射的模式离开原子。 从检测到的光的强度，研究人员可以直接推断出光是粒子还是波。

         他们对他们发送的光子一半表现为波，一半表现为粒子的情况特别感兴趣。 他们通过使用一种方法来调整光子与粒子的波动概率，通过调整原子的“模糊性”或其位置的确定性来实现这一目标。 在他们的实验中，每个10,000 个原子中，激光由激光固定到位，可以调整激光以收紧或松开光的固定。 原子的持有越松散，它看起来就越模糊，或者说越“空间广泛”。 较模糊的原子更容易发出沙沙声并记录光子的路径。 因此，在调整原子的模糊度时，研究人员可以增加光子表现出类似粒子行为的概率。 他们的观察结果与理论描述完全一致。

        跳走

         在他们的实验中，该小组测试了爱因斯坦关于如何检测光子路径的想法。 从概念上讲，如果将每个狭缝切割成一张极薄的纸，并通过弹簧悬浮在空中，则穿过一个狭缝的光子应该会对相应的弹簧进行一定程度的摇动，这将是光子粒子性质的信号。 在之前实现的双缝实验中，物理学家已经加入了这样一种类似弹簧的成分，泉水在描述光子的双重性质方面发挥了重要作用。

         但 Ketterle 和他的同事能够在没有众所周知的弹簧的情况下进行实验。 该团队的原子云最初由激光固定到位，类似于爱因斯坦关于由弹簧悬挂的狭缝的概念。 研究人员推断，如果他们要取消他们的“弹簧”并观察到完全相同的现象，那么这将表明弹簧对光子没有影响波/粒子二象性。

         这也是他们发现的。 经过多次运行，他们关闭了将原子固定到位的弹簧状激光，然后在百万分之一秒内快速进行了测量，然后原子变得更加模糊，最终因重力而掉落。 在这很短的时间内，原子有效地漂浮在自由空间中。 在这个无弹簧的场景中，该团队观察到了相同的现象：无法观察到光子的波和粒子性质同时。

         “在许多描述中，弹簧起着重要作用。 但我们表明，不，泉水在这里并不重要; 重要的只是原子的模糊性，“费多塞耶夫说。 “因此，必须使用更深刻的描述，它使用光子和原子之间的量子相关性。”

         研究人员指出，联合国已宣布 2025 年为国际量子科学与技术年，庆祝量子的制定100 年前的力学。 玻尔和爱因斯坦之间关于双缝实验的讨论仅在两年后就发生了。

         “我们可以在我们庆祝量子物理学的同一年帮助澄清这一历史性争议，这是一个奇妙的巧合，”合著者 Lee 说。

         这项工作部分得到了美国国家科学基金会的支持。 国防部以及戈登和贝蒂摩尔基金会。