光究竟是波还是粒子?
这个看似简单的问题困扰了物理学界近一个世纪。
1927年,丹麦物理学家玻尔提出量子力学中的互补性原理,认为微观粒子如光子和电子的波动性与粒子性不可同时观测,二者呈现此消彼长的关系。
这一观点遭到爱因斯坦的强烈质疑。
爱因斯坦设计了一个经典思想实验:若将狭缝制成可移动的,当单个光子穿过时会对狭缝产生微小反冲力。
通过精确测量这个反冲力,理论上既能确定光子的通过路径,又能保留干涉条纹,从而同时观测到波动性和粒子性。
然而,这个看似巧妙的设想在实践中遇到了巨大障碍。
关键难点在于"可移动狭缝"的实现。
光子的动量极其微小,宏观狭缝的质量过大,导致光子撞击产生的反冲力几乎无法测量。
这就如同用乒乓球撞击地球,地球的运动微乎其微,难以通过地球的位移判断乒乓球的轨迹。
近百年来,无数科学家的尝试都以失败告终。
潘建伟团队的创新之处在于改变了思路。
他们没有继续追求宏观狭缝的可移动性,而是采用单个铷原子作为狭缝。
相比宏观物体,原子的质量小得多,光子与原子的碰撞效应能够被明显观测到,就像将碰撞对象从地球换成篮球。
这一转变使得实验从理论上变为可行。
但要让单原子狭缝真正工作,团队还需克服两个关键技术难题。
其一是如何固定原子。
研究人员采用了光镊技术,利用高度聚焦的激光束形成"光学镊子",将单个铷原子牢牢束缚在真空环境中。
其二是如何使原子保持稳定状态。
团队运用拉曼边带冷却技术,将原子温度降至接近绝对零度,使其运动变得极其缓慢,从而能够精确感知光子的反冲效应。
实验过程中,单个光子依次穿过原子狭缝,研究人员在后端观测干涉条纹的清晰程度以判断波动性,同时通过测量原子的反冲来确定光子的运动路径以判断粒子性。
结果完全符合玻尔的预测,呈现出明显的"跷跷板效应"。
当光镊放松、原子动量稳定时,团队能精确测出原子反冲力,准确判断光子来向,但屏幕上的干涉条纹变得模糊;当光镊收紧、原子位置固定但动量不确定时,无法准确测出反冲信息,但干涉条纹却异常清晰。
这充分证明了光子的波动性和粒子性如同跷跷板两端,一端上升必然导致另一端下降,不可能同时达到最高点。
这一实验结果表明,爱因斯坦当年的设想在量子极限下确实无法实现。
这不是技术问题,而是量子世界的根本法则。
该研究用严谨的实验证据证明了量子力学的完备性,为微观物理学的基础理论研究增添了重要支撑。
同时,这项工作也展示了中国在量子物理领域的研究水平,标志着我国基础科学研究正在向更深层次迈进。
科学史表明,重要理论往往在质疑与验证的循环中走向成熟。
从思想实验到可重复、可量化的现实测量,需要的不只是灵感,更是技术与方法的持续积累。
以单原子“狭缝”回应百年之问,体现了基础研究以实验事实厘清边界、推动认识前行的路径,也提示人们:探索微观世界的广阔图景,最终要靠一步步把“不可见”变成“可测量”。