著名双缝干涉实验的理想化版本

在一项新发表于《物理评论快报》的研究中，一个物理学家团队成功实现了杨氏双缝实验的“理想化版本”：以原子级精度揭示了光既是粒子又是波的双重特性。

双缝干涉实验

杨氏双缝实验是物理学史上最著名实验之一，最初由物理学家托马斯·杨（Thomas Young）于1801年完成的。在实验中：杨将一束光照射在具有两条平行狭缝的屏幕上，然后观测这束光在另一块更远处的屏幕上所形成的图样。直觉上，人们会预期屏幕上将留下两个重叠的光点，类似彩弹直线穿过两条狭缝所产生的情形。但实际观察到的，却是明暗相间的干涉条纹，如同水面上两道涟漪相遇时产生的效果。

这一现象说明，光表现得像波，因而证实了光的波动性。但奇怪的是，当物理学家试图测量光究竟是穿过了哪一条狭缝时，这种干涉图样就消失了——光表现得如同粒子一般。

如今，双缝实验已成为物理课的经典案例，用以说明量子力学的核心原理：所有物理实体，包括光，都既具有粒子性，又具有波动性。

一场世纪争论

近一个世纪前，这个实验引发了两位物理学大师——爱因斯坦（Albert Einstein）与玻尔（Niels Bohr）之间一场著名争论。

1927年，爱因斯坦提出，如果光子确实是粒子，那么它应该只通过其中的一条狭缝，并且会在通过的过程中对这个狭缝施加微小的力。他设想，我们可以在观测到干涉图样的同时探测到这种力，进而同时捕捉到光的波粒二象性。而玻尔则用不确定性原理反驳道：一旦试图探测光子的路径信息，干涉图样便会消失。

自那之后，物理学界进行了多个版本的双缝实验，几乎都在不同程度上验证了玻尔的观点。如今，在新的研究中，一组物理学家用单原子与单光子进行了迄今为止最为“理想化”的杨氏双缝实验。那么，他们究竟发现了什么？

最小的“狭缝”

新实验从量子本质出发，极简化了实验设置：用单原子充当“狭缝”，并用微弱的光束保证每个原子最多只与一个光子发生散射。

起初，研究团队的目标并非复现双缝实验，而是想要探究光的散射能如何揭示超冷原子材料的性质。但他们很快意识到，通过量化这种散射过程像“波”或像“粒子”的程度，就能以一种非常理想的方式重现这个著名实验。

在实验中，研究人员使用了超过10000个被冷却至微开尔文级的原子，并通过激光将其排列成均匀间隔的晶格。每个原子之间相距足够远，以至于每个原子都可被视作一个单独的、孤立的、完全相同的单原子。相比一两个原子，这种大规模的排列更容易产生可被观测的散射信号。

在这种设置下，研究人员向原子阵列照射一束微弱的光，并观测单光子是如何从两个相邻原子上散射出来的——这一过程与光穿越双缝再干涉的情形极为相似。因此，这个实验可被视为双缝实验的全新变体，这些单原子就像可被制造出的最小“狭缝”。

调控“模糊性”

研究人员特别感兴趣的是，如何精确调控光子，以达到光子一半表现得像波，一半表现得像粒子的情况。为了实现这一目标，他们通过改变原子的“模糊性”——即原子位置的不确定程度——来调整光子以波的形式出现的概率。

实验中的10000个原子都由激光控制，激光可以收紧或放松对原子的束缚。一个原子被束缚越松，它就显得越模糊，或者说“空间上越广泛”。而越是模糊的原子，越容易被光子干扰，从而就可以记录下光子的路径信息。

通过调整原子的模糊性，研究人员发现原子越模糊，光子越像粒子，而干涉条纹则越淡。换言之，获得的光子路径信息越多，干涉图样就越不明显。他们的观测结果与理论描述完全一致。

检验“弹簧”假设

研究人员进一步测试了爱因斯坦的“弹簧”设想。在概念上讲，假设每条狭缝都开在一张极薄的纸片上，而这张纸又由弹簧悬挂在空中，那么通过其中一个狭缝的光子，会在一定程度上震动相应的弹簧，进而留下“粒子性”的信号。

在过去的一些双缝实验版本中，物理学家已经试图引入这种“弹簧”，并表明“弹簧”在描述光子的波粒二象性方面发挥了重要作用。

但在新研究中，研究人员在移除“弹簧”的情况下进行了实验：在实验中，原子云最初由激光固定，类似于用“弹簧悬挂”的概念。研究人员推测，如果移除激光“弹簧”，仍能观测到同样的现象，就表明弹簧对光子的波粒二象性没有影响。

而这正是他们在实验中观测到的结果：在多次实验中，他们关闭了将原子固定在原位的“弹簧”激光，然后在原子变得更加模糊并最终因重力而下落之前，在百万分之一秒内迅速进行了测量。在这极短的时间内，原子漂浮在了自由空间中。在没有“弹簧”的情况下，研究人员观测到了同样的现象：光子的波和粒子性质无法同时被观测。

这表明，“弹簧”并非关键，真正重要的是原子的“模糊性”。

实验意义

这一经典实验的理想化版本展示了，只要原子受到光子干扰——无论多么轻微，干涉条纹都会减弱。它再次表明，光的波粒二象性无法同时被观测：一旦试图观测光的粒子性，其波动性就会消失。这意味着物理学家必须采用更深刻的量子描述——涉及光子与原子之间的量子关联。

#参考来源：

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

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/zwhd-1k2t

#图片来源：

封面图&首图：Fedoseev et al. via MIT News