100年后，他们在国际量子年为玻尔投下决胜一票

双缝实验（Double-Slit Experiment）是物理学中最著名的实验之一，最初由英国学者 Thomas Young 于 1801 年进行，因其以惊人简单的方式揭示了一个令人费解的现实而闻名：光同时以粒子和波的形式存在。更诡异的是，这两种形象永远无法同时出现——一旦你看到光的粒子性，波动性就立刻消失，反之亦然。

经典做法是把光束射向一块开有两条平行狭缝的屏，再在远处的第二块屏上观察图样。如果光只是粒子，应出现两条简单重叠的亮斑；可实际上出现的是明暗相间的干涉条纹，像两圈水波交汇。更离奇的是，一旦你想测量光子到底穿过哪条缝，干涉条纹立刻消失，光开始表现得像粒子。

这个实验也曾是爱因斯坦和尼尔斯·玻尔友好论战的焦点。

1927 年，爱因斯坦提出：一个光子应该只穿过两条狭缝中的一条，并在此过程中对该狭缝产生一个微弱的作用力，就像一只鸟飞过时扇动了一片树叶。他提出，人们可以检测到这种作用力，同时也能观察到干涉图样，从而同时捕捉到光的粒子和波本质。作为回应，玻尔运用量子力学的不确定性原理，证明了检测光子路径的行为将会抹去干涉图样。

此后，科学家做过多次双缝实验，都在不同程度上支持了玻尔的量子理论。

近日，麻省理工学院的物理学家完成了一次近乎“理想化”的双缝实验，他们以原子级精度，再次揭示了光既是波又是粒子的双重却又不可兼得的本质，也顺便证明爱因斯坦在这次量子争论中确实错了。

研究成果发表在Physical Review Letters期刊。论文第一作者 Vitaly Fedoseev，与 Hanzhen Lin、Yu-Kun Lu、Yoo Kyung Lee、Jiahao Lyu 等同属 MIT 物理系、电子研究实验室及 MIT–哈佛超冷原子中心。

双缝实验的新变体

他们把实验精简到量子本质——用单个原子做狭缝，并用极弱光束确保每个原子最多散射一个光子。通过将原子制备到不同量子态，他们可精确控制原子对光子路径信息的获取量。结果再次验证量子理论：获取的路径信息越多（粒子性越明显），干涉条纹的可见度就越低。

实验直接展示了爱因斯坦错在哪里：只要原子被经过的光子“轻轻碰了一下”，波的干涉就立即减弱。

“爱因斯坦和玻尔做梦也想不到，我们竟能用单个原子和单个光子完成这样的实验，”MIT 物理学 John D. MacArthur 讲席教授、团队负责人 Wolfgang Ketterle 说。

研究小组对原子和分子进行了实验。他们将原子和分子超冷却到接近绝对零度的温度，并用激光将它们排列成特定构型并“囚禁”起来。在这些经过精心调谐的超冷原子云中，只在量子尺度、单原子层面才会出现的奇异现象便会显现出来。

在最近的一项实验中，该团队正在研究一个看似无关的问题：光散射如何能揭示由超冷原子构建的材料的特性？

“我们意识到，可以量化这种散射过程在多大程度上像粒子或像波，”Fedoseev 说，“我们很快意识到，可以应用这种新方法，以一种非常理想化的方式来实现这个著名的实验。”

在这项新研究中，团队使用了超过 10,000 个原子，并将它们冷却到微开尔文（microkelvin）温度。他们使用一列激光束，将这些冷冻的原子排列成间距均匀、类似晶体的点阵结构。在这种排列中，每个原子与其他原子之间的距离足够远，以至于每个原子都能有效地被视为单个、孤立且完全相同的原子。与单个或几个原子相比，一万个这样的原子能产生更容易检测到的信号。

研究小组推断，利用这种排列方式，他们可以射入一束弱光穿过这些原子，并观察单个光子是像波还是像粒子一样从两个相邻的原子上散射开来。这类似于在原始双缝实验中，光穿过两条狭缝的情形。

“我们所做的可以看作是双缝实验的一个新变体，”Ketterle 说，“这些单个原子就像是你能建造的最小的狭缝。”

波粒二象性的关键开关

在单光子水平上开展实验，需要重复多次，并使用超灵敏探测器来记录从原子散射的光的图案。通过检测到的光的强度，研究人员可以直接推断出光是表现为粒子还是波动。

他们特别关注一半光子表现为波动、另一半表现为粒子的情况。通过调整原子的“模糊度”（即原子位置的确定性），从而改变光子表现为波与粒子的概率，并实现了这一目标。在实验中，每个处于激光光束中的 10,000 个原子，都可以通过调整激光的强度来收紧或放松对原子的束缚。原子束缚得越松，就越“模糊”，或者说在空间上越“弥散”。越模糊的原子更容易被扰动，从而记录下光子的路径。因此，通过调高原子的模糊度，研究人员可以增加光子表现出粒子行为的概率。他们的观察结果与理论描述完全一致。

在实验中，该团队测试了爱因斯坦关于如何探测光子路径的想法。从概念上讲，如果每个狭缝都刻在一张用弹簧悬挂在空气中的极薄纸上，那么穿过其中一个狭缝的光子应该会使相应的弹簧产生一定程度的振动，这种振动将是光子粒子性的信号。在以往的双缝实验实现中，物理学家们引入了类似弹簧的元素，而弹簧在描述光子的波粒二象性方面发挥了重要作用。

然而，Ketterle 及其同事们能够在没有“弹簧”的情况下完成实验。团队的原子云最初是通过激光光束固定的，这类似于爱因斯坦设想的由弹簧悬挂的狭缝。研究人员推测，如果他们去掉“弹簧”，并观察到完全相同的现象，那么这就表明弹簧对光子的波粒二象性没有任何影响。

事实证明，他们的发现正是如此。在多次实验运行中，他们关闭了固定原子的类似弹簧的激光，然后在百万分之一秒内迅速进行测量，这比原子变得更模糊并最终因重力而落下的时间要短得多。在这极短的时间内，原子实际上是在自由空间中漂浮的。在这种无弹簧的情境下，团队观察到了相同的现象：光子的波性和粒子性不能同时被观测到。

“在许多描述中，弹簧都起着重要作用。但我们表明，弹簧在这里并不重要；重要的是原子的模糊度，”Fedoseev 说，“因此，必须使用更深刻的描述方法，这种方法利用光子和原子之间的量子关联。”

为纪念量子力学诞生（1925 年）100 周年，联合国宣布 2025 年是“国际量子科学技术年”，而玻尔和爱因斯坦关于双缝实验的讨论发生在 1927 年。“在庆祝量子物理学的同一年，我们能够帮助澄清这一历史争议，这真是太美妙的巧合了，”共同作者 Lee 表示。

https://news.mit.edu/2025/famous-double-slit-experiment-holds-when-stripped-to-quantum-essentials-0728