MIT实验示意图：真空腔中漂浮的两个单原子被激光束照射，充当双缝。散射光的干涉图样由一个高度灵敏的相机（图示为屏幕）记录。非相干光表现为背景，意味着光子表现为粒子仅穿过一条狭缝。

麻省理工学院的物理学家们近日完成了一项量子物理学领域里程碑式的实验——对著名的“双缝实验”进行了迄今最理想化的版本验证。他们的发现不仅以原子级别的精度，揭示了光的双重性及其难以捉摸的本质。此外，还证实了阿尔伯特·爱因斯坦在这一特定量子情景中的观点是错误的。

双缝实验最初由英国学者托马斯·杨于1801年进行，旨在揭示光作为波的特性。如今，随着量子力学的建立，双缝实验因其简洁而深刻地揭示了一个核心量子现实而闻名：光同时以粒子和波的形式存在。更令人费解的是，这种二象性无法被同时观测。当观察到光以粒子的形式存在时，其波的性质便会立即被遮蔽，反之亦然。

原始实验是将一束光线通过屏幕上的两个平行狭缝，并观察在远处第二个屏幕上形成的图案。人们可能会预期看到两个重叠的光斑，这意味着光以粒子（即光子）的形式存在，就像沿着直线路径飞行的彩弹。

然而，光在屏幕上产生交替的明暗条纹，形成类似于池塘中两个漩涡相遇时的干涉图案。这表明光的行为更像波。更奇怪的是，当试图测量光线通过哪个狭缝时，光线突然表现出粒子特性，干涉图案随之消失。

如今，双缝实验在大部分高中物理课程中被作为简单示例，用于阐释量子力学的基本原理：所有物理对象，包括光，同时具备粒子和波的特性。

近一个世纪前，这一实验曾是物理学家阿尔伯特·爱因斯坦与尼尔斯·玻尔之间一场友好辩论的焦点。1927年，爱因斯坦认为光子粒子应该只穿过两条缝隙中的一条，并在过程中对该缝隙产生轻微作用力，如同飞鸟掠过时拂动树叶般。

他提出，人们可以在检测这种力的同时观察到干涉图案，从而同时捕捉到光的粒子性和波动性。作为回应，玻尔应用了量子力学的不确定性原理，证明了检测光子的路径会消除干涉图案。

此后，科学家们进行了多种版本的双缝实验，这些实验在不同程度上均证实了玻尔提出的量子理论的有效性。如今，麻省理工学院的物理学家们进行了迄今为止最“理想化”的双缝实验。他们的实验将实验剥离至其量子本质。他们使用单个原子作为狭缝，并使用弱光束，使每个原子最多散射一个光子。

通过将原子置于不同的量子态，他们能够改变原子获得的光子路径信息。研究人员由此证实了量子理论的预测：获得的光子路径信息越多（即光的粒子性质越明显），干涉图样的可见度就越低。

他们证明了爱因斯坦的错误。每当一个原子被经过的光子“扰动”时，波的干涉现象就会减弱。

“爱因斯坦和玻尔绝不会想到这种实验是可能的，即用单个原子和单个光子进行这样的实验，”麻省理工学院物理学家、约翰·D·麦克阿瑟（John D. MacArthur）物理学教授沃尔夫冈·凯特勒（Wolfgang Ketterle）说，“我们所做的是一次理想化的思想实验。”

他们的研究成果发表在《物理评论快报》上。凯特勒在麻省理工学院共同作者包括第一作者维塔利·费多谢耶夫（Vitaly Fedoseev）、林瀚臻（Hanzhen Lin）、陆宇堃（Yu-Kun Lu）、李侑卿（Yoo Kyung Lee）和吕佳豪（Jiahao Lyu），他们均隶属于麻省理工学院物理系、电子研究实验室以及麻省理工学院-哈佛大学超冷原子中心。

冷束缚

麻省理工学院（MIT）的凯特勒（Ketterle）研究团队通过将原子和分子超冷至绝对零度以上仅几分之一度的极低温度，并利用激光光束将其束缚在特定结构中进行实验。在这些经过精心调谐的超冷原子云中，仅在量子、单原子尺度才会出现的奇异现象得以显现。

在最近的一项实验中，研究团队原本在探索一个看似无关的问题，即研究光散射如何揭示由超冷原子构成的材料的性质。

“我们意识到可以量化这个散射过程在多大程度上类似于粒子或波，并迅速意识到可以将这种新方法应用于以非常理想化的方式实现这个著名实验，”费多谢耶夫说。

在他们的新研究中，团队使用了超过10,000个原子，并将它们冷却到微开尔文温度。他们利用激光束阵列将这些冷冻的原子排列成均匀间隔的晶体状晶格结构。在此排列中，每个原子与其他原子相距足够远，以至于每个原子都可以被视为单个、孤立且相同的原子。而10,000个这样的原子产生的信号比单个原子或两个原子更容易被检测到。

该研究小组推测，在这种排列下，他们可以让一束微弱的光线穿过原子，并观察单个光子如何以波或粒子的形式散射到两个相邻原子上。这与经典的双缝实验中光线穿过两个缝隙的情况类似。

“我们所做的工作可以被视为双缝实验的一种新变体，”凯特勒说，“这些单个原子就像你能建造的最小的狭缝。”

调谐模糊性

在单光子水平上进行实验需要重复多次实验，并使用超灵敏探测器记录原子散射的光的模式。通过检测到的光的强度，研究人员可以直接推断光是作为粒子还是波存在。

他们特别关注这样一种情况：他们发送的光子中，一半表现为波，一半表现为粒子。他们通过调整原子的“模糊度”或其位置的确定性来实现这一目标，从而调节光子以波或粒子形式出现的概率。

在实验中，10,000个原子中的每一个都由激光固定，该光束可调节以增强或减弱光束的束缚力。原子被束缚得越松散，其“模糊性”或“空间扩展性”就越强。

模糊性更强的原子更容易受到扰动，并记录光子的路径。因此，通过调高原子的模糊性，研究人员可以增加光子表现出粒子行为的概率。他们的观测结果与理论描述完全一致。

弹簧效应

在他们的实验中，研究小组测试了爱因斯坦关于如何检测光子路径的理论。从概念上讲，如果将每个狭缝切割成一张极薄的纸片，并通过弹簧悬浮在空中，那么当光子通过其中一个狭缝时，对应的弹簧应会产生一定程度的振动，这将作为光子粒子性质的信号。

在之前的双缝实验实现中，物理学家曾引入这种类似弹簧的装置，而弹簧在描述光子二象性中发挥了重要作用。

但凯特勒及其同事成功在不使用传统弹簧的情况下完成了实验。该团队的原子云最初通过激光光束固定在原位，这与爱因斯坦设想的由弹簧悬空的缝隙概念相似。

研究人员推断，如果他们去除这个“弹簧”，并观察到完全相同的现象，那么这将表明弹簧对光子的波粒二象性没有影响。

这也正是他们所发现的。在多次实验中，他们关闭了用于固定原子的类弹簧激光，然后在百万分之一秒内快速进行测量（在原子变得更模糊并最终因重力下落之前）。在这极短的时间内，原子实际上是在自由空间中漂浮。在这种没有弹簧的场景中，研究团队观察到了相同的现象：无法同时观测到一个光子的波动性和粒子性。

“在许多描述中，弹簧扮演着重要角色。但我们证明，不，弹簧在这里并不重要；重要的是原子的模糊性，”费多谢耶夫说。“因此，必须使用更深层次的描述，该描述利用光子与原子之间的量子关联。”

研究人员指出，2025年已被联合国宣布为“国际量子科学与技术年”，以纪念量子力学提出100周年。玻尔与爱因斯坦关于双缝实验的讨论仅在两年后发生。

“能在庆祝量子物理学的同一年帮助澄清这一历史争议，真是美妙的巧合，”合著合著者李侑卿（Yoo Kyung Lee）说。