麻省理工用单原子验证光波粒二象性，终结爱因斯坦与玻尔百年争辩

麻省理工学院物理学家通过史上最精密的双缝实验，在原子级别上证实了量子力学的基本原理，并最终解决了爱因斯坦和玻尔之间持续近一个世纪的理论争辩。这项发表在《物理评论快报》上的研究成果，将经典的双缝实验简化到其量子本质，使用单个原子作为狭缝，创造了迄今为止最理想化的实验条件。

自1801年托马斯·杨首次进行双缝实验以来，这一简单而深刻的实验一直是理解光的波粒二象性的关键工具。传统实验通过让光束穿过两个平行狭缝，观察远处屏幕上形成的干涉图样，揭示了光的波动特性。然而，当科学家试图探测光子穿过哪个狭缝时，干涉图样立即消失，光子表现出粒子特性。

麻省理工学院沃尔夫冈·凯特勒教授领导的研究团队将这一实验推向了新的极限。他们使用超过一万个被冷却至微开尔文温度的原子，通过激光束阵列将其排列成精确的晶格结构。在这种配置下，每个原子都充当一个独立的狭缝，而研究人员使用如此微弱的光束，以至于每个原子最多只能散射一个光子。

实验的核心创新在于研究人员发现了一种调节光子波粒二象性的方法。通过调整束缚原子的激光强度，他们能够控制原子的"模糊性"或其位置的不确定性。原子束缚得越松散，它就越模糊，也更容易移动并记录光子的路径信息。这种模糊性直接影响了光子表现为波还是粒子的概率。

研究团队发现，获得的关于光子路径的信息越多，干涉图样的可见度就越低。这一发现完美验证了量子力学的互补性原理：光的波动性和粒子性无法同时被完整观测。

1927年，爱因斯坦曾提出一个巧妙的设想：如果将双缝装置用弹簧悬浮，那么穿过狭缝的光子应该会对相应的弹簧产生微小的冲击力，这样就能在观察干涉图样的同时探测光子的路径。玻尔运用量子力学的不确定性原理反驳了这一观点，认为任何探测光子路径的尝试都会破坏干涉图样。

为了直接验证这一争论，凯特勒团队进行了一个关键实验：他们关闭了固定原子的激光器，让原子在重力作用下自由下落，在这种完全没有"弹簧"的情况下进行测量。结果显示，即使在原子完全自由的状态下，实验现象依然保持不变，证明了弹簧的存在与否并不影响光的波粒二象性。

量子关联的深层理解

这一实验结果表明，光的波粒二象性并非源于机械的相互作用，而是来自光子与原子之间更深层的量子关联。研究人员指出，重要的不是物理的"弹簧"机制，而是原子量子态的模糊性程度。

第一作者维塔利·费多谢耶夫解释说："在许多描述中，弹簧起着重要作用。但我们证明，弹簧在这里并不重要；重要的只是原子的模糊性。因此，我们必须使用更深刻的描述，即利用光子和原子之间的量子关联。"

这项研究的技术成就同样令人瞩目。研究团队必须在单光子水平上进行数千次重复实验，使用超灵敏探测器记录原子散射光的模式。他们能够在不到百万分之一秒的极短时间内完成测量，展现了实验技术的精密程度。

凯特勒教授表示："爱因斯坦和玻尔从未想过，用单个原子和单个光子进行这样的实验是可能的。我们做的是一个理想化的'思想'实验。"

这项研究不仅解决了物理学史上的一个重要争论，也为未来的量子技术发展提供了新的见解。在联合国宣布的2025年国际量子科学技术年中，这一成果具有特殊的纪念意义，标志着人类对量子世界理解的又一次重大进步。