光的波粒二象性理论受到挑战？教科书恐怕需要增加新章节了

光既是波又是粒子，具有波粒二象性——至少过去百年间，也就是量子力学诞生至今，我们一直这样认为。其中关于光的波动性，可向前追溯至1801年，物理学家托马斯·杨（Thomas Young) 通过双缝实验，证实了该基本特性。

不过有趣的是，现在有研究者提出颠覆性观点，大胆挑战经典双缝实验的结论，甚至质疑光的本质。根据《物理评论快报》(Physical Review Letters) 4月刊载的文章，巴西圣卡洛斯联邦大学学者塞尔索·维拉斯-博阿斯 (Celso Villas-Boas) 与同事认为：

在双缝实验中，我们无需将光视作波才能解释实验结果，只考虑其粒子本质，就可令一切自洽。

“许多科学家都把双缝实验当作光具有波动性的确凿证据，其中包括电磁学经典理论创立者詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)和通过实验证实爱因斯坦光电效应方程的罗伯特·密立根(Robert Millikan)等巨匠。但根据我们的解释，光只需做粒子就够了。经典的波动性理论并非最本质诠释，量子力学才是。”

编译 | 莫庄非

在双缝实验中，光线穿过两个相邻的狭缝投射到屏幕上，形成明暗相间的竖直条纹，即“经典干涉”图样。

传统学说解释称：光波通过狭缝后在屏幕处相遇；当一列光波的波峰与另一列的波谷叠加时，二者相互抵消，屏幕上记录下暗条纹(即无光区域)；当两列光波的波峰叠加时，则形成明条纹。

那么，若假设光本质上只有粒子性而无波动性，正如维拉斯-博阿斯团队所确信的那样，又该如何推演得到经典条纹图样呢？

他们采用的数学模型以单原子作为屏幕，因为这是最基本的光子探测器；理论的基础假定是条纹形成位置仅由狭缝几何结构及光线通过时的偏折方式决定。通过该模型计算得到的结果表明，仅将光视为量子粒子，同样可产生相同图样。

原因在于，通过狭缝的光子会在特定位置进入“暗态”(dark states)，处于这种量子态下的光子无法与其他粒子相互作用，因而不会在屏幕上留下光斑。换言之，暗条纹并不代表光子(或者说光)不存在，而是部分光子具有规避探测的量子特性的体现。

维拉斯-博阿斯的合著者、德国马克斯·普朗克量子光学研究所的物理学家格哈德·伦佩(Gerhard Rempe)表示新结论令他们自己都无比震撼：“光子实际上遍布所有地方，但存在于暗条纹区域的光子无法激发原子——这种颠覆性解释打碎了关于经典干涉原理的认知。”

不少未参与该工作的同行都认同这一新理论框架或将引领的基础物理学重大变革，但与此同时也对其持保留态度。毕竟，如此大胆的主张，需要经受严格检验。

波粒二象性概念的确立离不开双缝实验。不仅是光子，电子、原子乃至某些分子都在双缝实验中产生了经典干涉图样。

这种图样可以通过波动方程推导，并一直被视为波动现象。因此早期量子物理学家惊讶于具有与波相反特性的粒子实体竟都能产生相同图样。波粒二象性理论由此应运而生：世间万物皆可根据特定情境呈现波动性或粒子性，只是这二象无法同显。当然，尽管当代物理学家普遍接受波粒二象性概念，但它始终是量子理论里最令人费解的特性之一。

“眼下，我们依然可以继续用波的相消与相长来解释涉及经典场和单光子的干涉现象，但新理论似乎提供了更完整而自洽的框架——仅以光的粒子性为依据。这样的视角令人着迷。”意大利国家光学研究所的研究主任马可·贝利尼(Marco Bellini)感叹道。

伦佩指出，新框架或许还可解释为何双缝实验的某些改动会产生超乎预期的影响。

例如，若在某一狭缝添加探测器(以观测光子穿过狭缝)，屏幕上就不再有的干涉条纹显示，转而呈现两个对应狭缝的亮斑——这种现象匹配粒子而非波的特性。引入探测器怎就将电磁波诱导成光子流了？在维拉斯-博阿斯介绍的理论框架内，“观察者改变光子现实”这样的悖论不复存在。

“观测行为如何影响量子客体这一根本问题，始终是量子物理学中复杂又悬而未决的争论根源。新理论将光视为纯粹的粒子，为解决争论提供了路径。”

纽约市立大学莱曼学院教授克里斯托弗·格里(Christopher Gerry)指出，光有暗态的概念其实早于上述研究。

“新观点很有趣，但也会引发争议。若能以实验作验证，理论会更具说服力。或许它可以用于补充解释传统的光干涉，但后者短期内不会退出历史舞台。”

马德里康普顿斯大学研究院路易斯·桑切斯-索托(Luis Sánchez-Soto)认为，目前尚不清楚这种颠覆性的诠释能否揭示新的光学现象或催生量子物理新实验。

“关键在于，它是‘为了什么’？新理论的形式固然优雅，但它还要展现更多内容。”

维拉斯-博阿斯透露，他们已完成一项针对单个带电原子的初步实验测试，并收获有力支持理论的实验结果：声子(可理解为粒子状的振动能量单元)的明暗态同样可用来解释干涉现象。他目前正基于暗光子和亮光子概念，重新分析一种发射脉冲(而非连续光束)的特殊激光器——若理论模型正确，此类激光可能也由一束束或明或暗的光子构成。

贝利尼觉得，寻找“看见”暗光子的方法将是很有趣的探索。伦佩则表示：“现行的标准教科书恐怕需要增加新章节了。”

资料来源

'Dark photon' theory of light aims to tear up a century of physics

本文经授权转载自微信公众号“世界科学”，
https://www.newscientist.com/article/2477695-dark-photon-theory-of-light-aims-to-tear-up-a-century-of-physics/。

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