爱因斯坦-玻尔世纪之辩，中科大团队用实验给出了裁决

根据合肥国家实验室消息， 2025 年 12 月 2 日，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、陈明城教授等组成的研究团队在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表的一项研究，为 1927 年索尔维会议上爱因斯坦与玻尔围绕量子力学本质的激烈辩论提供了量子极限下的直接实验证据。团队用单个原子和单个光子完成了爱因斯坦在 1927 年提出的思想实验，实验结果明确支持了玻尔对量子互补性原理的诠释。

图丨相关论文（来源：Physical Review Letters）

故事要从近百年前说起。1927 年第五届索尔维会议（Solvay Conference）云集了当时物理学界最耀眼的群星，爱因斯坦和玻尔在那里展开了关于量子力学诠释的著名争论。

图丨第五届索尔维会议（来源：Wikipedia）

彼时的爱因斯坦虽然因光量子假说获得了诺贝尔奖，却始终无法接受量子力学中那种“上帝掷骰子”的本质不确定性。他设计了一个巧妙的思想实验来挑战玻尔的互补性原理（Complementarity Principle）：在经典的双缝干涉实验中，在双缝系统前增加一道由弹簧悬挂的可移动狭缝，当光子最终走向上方或下方路径时，会在这一狭缝上留下可测的反冲。

爱因斯坦认为，通过测量这个反冲，就能知道光子究竟走了哪条路径，这是粒子性的体现；同时，光子还会在屏幕上形成干涉条纹，这又是波动性的体现。如果这个实验能够实现，岂不是意味着可以同时观测到光的波粒二象性？

（来源：Physical Review Letters）

玻尔的反击援引了海森堡提出的不确定性原理（Uncertainty Principle）指出，要精确测量狭缝的反冲动量，就必然导致狭缝位置的不确定性增大，而这种位置的模糊会“洗掉”干涉条纹。换句话说，你越是试图获取光子路径信息（粒子性），就越会破坏干涉图案（波动性）。两者无法兼得，这正是互补性原理的核心要义。

这场思想实验的论战在当时只能停留在纸面上，因为技术条件根本无法满足实验要求。要让这个实验真正成立，那个“可移动的狭缝”必须足够轻、量子态足够纯净，其动量不确定性 Δp 要小于单个光子的动量 ℏk（ℏ 是约化普朗克常数，k 是光子波矢）。

对于一个宏观物体而言，哪怕是 1 克重的镜子，在 100kHz 频率下的基态动量不确定性约为 10 的负 16 次方千克米每秒，而一个光学光子的动量仅为 10 的负 27 次方千克米每秒，两者相差了 11 个数量级。这意味着用任何宏观物体作为“可移动狭缝”都无法胜任量子观测者的角色。

直到 2025 年，技术的进步终于让这个思想实验从理想走向现实。有意思的是，几乎在同一年里，两支顶尖团队不约而同地向这个世纪难题发起冲击。

7 月，MIT 的诺贝尔奖得主 Wolfgang Ketterle 领衔的团队率先在《物理评论快报》上发表了他们的成果，使用超过一万个超冷原子排列成晶格，每个原子充当一个独立的“狭缝”。

图丨相关论文（来源：Physical Review Letters）

而中国科大的团队则走得更远，他们用单个铷-87 原子（87Rb）实现了这个思想实验，将量子观测推向了真正的量子极限。

潘建伟团队的实验方案基于光学镊子技术和极低温原子操控。他们使用波长 852 纳米的激光形成光学镊子（Optical Tweezer），将一个单独的铷原子捕获其中。接下来的关键步骤是将这个原子冷却到三维运动的基态，这是一个原子能够达到的最低能量状态，此时原子的动量不确定性降到了理论极限。

研究人员用三维拉曼边带冷却（Raman Sideband Cooling）技术来实现这个目标。最困难的是轴向冷却，因为轴向囚禁频率只有约 40kHz，远低于径向的 300kHz。团队将两束拉曼光束以 60 度角对准镊子轴向，在最大化轴向耦合的同时抵消了径向效应。

最终测量显示，轴向基态占据率达到了 0.91，径向更是高达 0.99，也就是说，原子几乎完全处于量子基态。

图丨实验装置示意图（来源：Physical Review Letters）

在这种极限冷却条件下，单个基态原子的动量不确定性被控制在与单光子动量相当的量级。更重要的是，通过改变光镊的阱深（从 0.60 到 10.49 mK），研究人员可以动态调整原子的动量不确定性，范围覆盖从 0.78 到 1.60 倍的光子动量 ℏk。这种可调性是此前任何实验都未曾实现的。

实验的核心设计则对爱因斯坦原初构想进行了忠实还原。当单个光子与原子发生瑞利散射（Rayleigh Scattering）时，光子可能向上或向下偏转，同时给原子施加一个相反方向的反冲动量。

这个过程导致光子和原子形成量子纠缠（Quantum Entanglement）：光子的路径信息被编码到了原子的动量状态中。如果用量子态来描述，这个纠缠态可以写成 |ψ(p-ℏk)⟩slit|+ℏk⟩photon + eiϕ|ψ(p+ℏk)⟩slit|-ℏk⟩photon，其中 ψ(p) 代表原子的动量波函数，ϕ 是两条路径的相位差。

关键的物理图像在于原子动量波函数的重叠程度。当光子给原子施加 ±ℏk 的反冲时，原子的动量波函数会发生位移。如果原子初始动量不确定性 Δp 远大于 ℏk，两个位移后的波函数几乎完全重叠，此时光子的路径信息几乎完全丢失，干涉可见度 V 接近 1。

反之，如果 Δp 远小于ℏk，两个波函数几乎不重叠，路径信息被清晰地记录下来，干涉条纹消失，可见度趋近于 0。实验测得的可见度公式 V = exp(-2η²)与理论预测很好吻合，其中 η=ℏk/(2Δp)是归一化的反冲动量参数，类似于离子囚禁中的兰姆-迪克参数（Lamb-Dicke Parameter）。

为了保证实验的精度，团队还必须克服一个看似平凡实则关键的技术难题：相位稳定性。干涉实验最怕环境扰动引起的相位漂移，哪怕是温度的微小波动或者机械振动都可能毁掉干涉图案。

研究人员将整个光学系统锁相到一个 1,064 纳米的参考激光上，通过主动反馈控制将两条光路的相位噪声压制到 16.5 毫弧度，对应的光程稳定性达到 2.8 纳米。在长达十小时的连续测量中，这个系统展现出了惊人的稳定性。

实验结果有力地支持了玻尔的观点。当光镊阱深从浅到深变化时，对应的轴向声子频率从 8.6 kHz上升到 36.0kHz，原子基态动量不确定性也随之增大。此时观测到的单光子干涉可见度从 0.3 逐步上升到 0.84，遵循着 V=exp(-2η²)的理论曲线。

这个简洁的指数关系揭示了互补性原理的量子本质：获取的路径信息越多（动量不确定性 Δp 越小、对应的 η 越大），可见度下降越严重；反之，当我们放弃路径信息（Δp 越大、η 越小）时，波动性越显著。

图丨实验核心结果（来源：Physical Review Letters）

更进一步，团队还巧妙地区分了量子极限噪声和经典加热噪声。由于三维拉曼冷却并非完美，加上光镊阱深调整和光子散射过程都会引入额外的声子激发，导致原子偏离基态。

研究人员通过实时的拉曼光谱测量，精确标定了每次散射前原子的平均剩余声子数 n̄，范围从 0.08 到 0.37。将这个经典加热效应纳入理论后，修正的可见度公式变为 V=exp(-2η²eff)，其中ηeff = η√(2n̄+1)。实验数据与修正理论的完美吻合，不仅验证了互补性原理，更展示了量子系统如何在真实环境中经历从量子到经典的渐进过渡。

这项工作的意义远不止于为一场世纪辩论提供实验裁决。从量子信息科学的角度看，它为探索光子-原子纠缠的连续变量特性开辟了新途径。论文中提到的后续方向包括对原子动量波函数的层析成像（Tomography）、制备动量压缩态（Momentum Squeezed State）乃至戈特斯曼-基塔耶夫-普列斯基尔态（Gottesman-Kitaev-Preskill State，简称 GKP 态），这些都是容错量子计算的核心资源。

更诱人的前景在于，通过逐步增加这个“可移动狭缝”的质量，或许能够探测到量子退相干（Decoherence）与引力的微妙关联，这正是当今量子基础理论最前沿的课题。

有意思的是，2025 年被联合国定为国际量子科学技术年（International Year of Quantum Science and Technology），纪念量子力学诞生一百周年。而爱因斯坦与玻尔在索尔维会议上的那场辩论发生在 1927 年，恰好是量子力学诞生两年后。历史的巧合似乎有意安排 MIT 和中国科大的团队在这个特殊的年份，用实验为那场旷世争论写下注脚。

当然，科学的进步从来不是终点，而是新起点。玻尔赢得了这场关于互补性的辩论，但爱因斯坦关于量子力学完备性的质疑，即著名的 EPR 佯谬（Einstein-Podolsky-Rosen Paradox），却催生了贝尔不等式（Bell's Inequality）和后来对量子非定域性的一系列实验验证，反而推动了量子信息革命。

在某种意义上，两位巨人的争论都是对的：爱因斯坦追问的是“为什么”，玻尔回答的是“是什么”。前者驱动我们不断拓展认知边界，后者教会我们尊重自然的真实面貌。

当实验室里的单个原子在光镊中等待，与一个光子完成量子纠缠的瞬间，一个延续了 98 年的科学故事终于尘埃落定。但新的问题已在地平线上浮现：当这个原子的质量逐渐增大，从微观走向介观乃至宏观，量子世界与经典世界的边界究竟在哪里？退相干从何而来？量子引力效应何时显现？

爱因斯坦和玻尔如果泉下有知，或许会欣然看到，他们当年的思想交锋并未随着一方获胜而终结，反而像一粒种子，在百年后的实验室里开出了更绚烂的花。

参考资料：

1.https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/93zb-lws3

2.https://physics.aps.org/articles/v18/s150

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