爱因斯坦对量子物理预言首次出现偏差

量子力学认为光既可以表现出粒子的特性，又可以表现出波的特性。现在，麻省理工学院（MIT）的研究人员通过一个大胆的单原子实验表明，虽然光可以表现出波和粒子的特性，但是光不能同时表现出粒子和波的特性。

这是一个简化版的MIT实验示意图，两个原子由一束激光固定住，充当可以散射光子的双缝结构，从而产生一个干涉图像（红色线条部分）。

光的本质是一个饱受争议的话题。这场辩论自17世纪（艾萨克·牛顿和克里斯蒂安·惠更斯的时代）开始。以牛顿为代表的“粒子派”认为光是粒子，这样方可以解释镜子中的反射为什么清晰，以及为什么不能隔着拐角看到另一侧的情况；以惠更斯为首的“波派“则认为光是波，这样才能解释光的折射和衍射现象。

1801年，物理学家托马斯·杨设计了出名的双缝干涉实验。实验中，他将一束光射向了两个距离很近的缝隙。如果光是粒子，那么干涉图像应该是两条明亮的直线；如果光是波，那么根据波的衍射，产生的干涉图像应该是明暗相间的条纹。托马斯·杨发现，光在经过两个窄缝后会产生明暗相间的条纹，并由此证明了光是波，而非粒子。

双缝干涉实验的示意图，可以看到衍射图象是亮暗相间的条纹。

一个世纪后，马克斯·普朗克证明了热量和光有一个基本单位，即“量子”，随后，阿尔伯特·爱因斯坦证明了光的基本单位叫做“光子”。此外，后续发展的量子力学证明了光子（一个粒子）也能表现出波的特性。所以，牛顿和惠更斯其实都是正确的：光既是一个波也是一个粒子，这个反直觉的现象叫做“波粒二象性”。

然而，根据海森堡不确定性原理，我们永远不可能观测到光子同时展现波和粒子的性质。量子力学之父尼尔斯·玻尔称之为为“互补性”。即一个量子系统中两个互补的属性（例如光子是呈现波的特性还是粒子的特性）永远不可能被同时测量。

但是，如果在自然规律中引入互补性和不确定性原理，会给之前决定论般的物理学引入随机性，所以爱因斯坦一直不接受上述两个原理。为了证伪互补性，他利用了1801年托马斯·杨做的杨氏干涉实验。他主张，当光子蹭过一条窄缝时，光子应该会稍微“推一下”窄缝的边缘，从而对其产生的力，这样就可以通过施加的力反推光子的粒子性质，通过光子和其他光子相互干涉的效应测出光子的波性质，从而证伪互补性。

玻尔对这个观点并不买账。不确定性原理说明了一个光子的两个互补性质不能被同时测量。所以如果要测量光子“推一下”的力，就会抹去光子的波动性质。墙上出现的干涉条纹就会变成两条亮直线。

多次实验反复证明了玻尔的论据是正确的，但是一直有一部分科学家相信光子可以同时展现波和粒子的性质。他们认为过大，过于复杂的双缝会引入测量误差，这些误差掩盖了粒子同时展现波和粒子的信号。

为了彻底解决这个争论，MIT研究人员沃尔夫冈·克特勒和维塔利·费多谢耶夫和其领导的研究团队利用原子建立了一个最简单的双缝。在接近绝对零度的情况下，研究人员通过激光排列了10000多个原子。由于光子会被原子核散射，而且散射到不同方向的概率不同，因此每个原子间的间隙都可以视为衍射的缝隙。此时朝这些原子双缝射一束光，就可以观测到光在最简单，最基本的双缝中是如何衍射的。

“这个实验本质上是双缝实验的一个变体，” 克特勒在一份声明中说到。“这些原子组是人类所能构建的最小缝隙了。”

这个实验证明了玻尔关于互补性的观点是正确的，爱因斯坦错了。越是着重测量光子对原子双缝施的力，光子的衍射图象就越弱。这是因为对原子施加力的光子会变成粒子，它们不在会和处于波形态的光子发生衍射。

这个实验同时证明了构建双缝的材料（本实验中是固定原子的激光）不对实验结果产生影响。研究人员关闭激光后，趁着原子还大概处在规则状态时，在百万分之一秒内又重复了一遍实验。结果和之前的一模一样：光的波性质和粒子性质不能被同时测量。

“实验中最关键的就是原子的不确定性，”费多谢耶夫说（这个不确定性是量子力学中不确定性原理带来的不确定性）。激光对原子的约束强度可以用来调控原子的不确定性。实验发现，激光对原子的约束强度越小，光子对原子施加的“推力”越大，从而更多的展现光子粒子的性质。

“爱因斯坦和波尔可能从未想过可以利用单个原子和单个光子进行双缝实验。” 克特勒说。

这项实验进一步印证了量子物理学的奇异之处：粒子既可以表现出波的性质，也可以表现出粒子的性质。我们永远无法同时测量互补的属性，例如光是波还是粒子，或者粒子的位置和动量。宇宙似乎基于概率运行，而我们从宏观领域观察到的种种物理定律则是大量粒子的统计规律的体现。正如爱因斯坦描述的，“就像掷骰子一样”。

该团队的研究成果于7月22日发表于《物理评论快报》上。

BY: Keith Cooper

FY: Chen LI

如有相关内容侵权，请在作品发布后联系作者删除

转载还请取得授权，并注意保持完整性和注明出处

选文：天文志愿文章组-

翻译：天文志愿文章组- Chen LI

审核：天文志愿文章组-

终审：天文志愿文章组-零度星系

排版：天文志愿文章组-零度星系

美观：天文志愿文章组-

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3.原文来自：Einstein was wrong (slightly) about quantum physics, new version of the famous double-slit experiment reveals | Space

本文由天文志愿文章组- Keith Cooper翻译自文章作者Chen LI的作品，如有相关内容侵权，请在作品发布后联系作者删除。

注意：所有信息数据庞大，难免出现错误，还请各位读者海涵以及欢迎斧正。

结束，感谢您的阅读与关注

全文排版：天文在线（零度星系）

转载请取得授权，并注意保持完整性和注明出处

浩瀚宇宙无限宽广 穹苍之美尽收眼底