著名雙縫干涉實驗的理想化版本

在一項新發(fā)表于《物理評論快報》的研究中，一個物理學家團隊成功實現(xiàn)了楊氏雙縫實驗的“理想化版本”：以原子級精度揭示了光既是粒子又是波的雙重特性。

雙縫干涉實驗

楊氏雙縫實驗是物理學史上最著名實驗之一，最初由物理學家托馬斯·楊（Thomas Young）于1801年完成的。在實驗中：楊將一束光照射在具有兩條平行狹縫的屏幕上，然后觀測這束光在另一塊更遠處的屏幕上所形成的圖樣。直覺上，人們會預期屏幕上將留下兩個重疊的光點，類似彩彈直線穿過兩條狹縫所產生的情形。但實際觀察到的，卻是明暗相間的干涉條紋，如同水面上兩道漣漪相遇時產生的效果。

這一現(xiàn)象說明，光表現(xiàn)得像波，因而證實了光的波動性。但奇怪的是，當物理學家試圖測量光究竟是穿過了哪一條狹縫時，這種干涉圖樣就消失了——光表現(xiàn)得如同粒子一般。

如今，雙縫實驗已成為物理課的經典案例，用以說明量子力學的核心原理：所有物理實體，包括光，都既具有粒子性，又具有波動性。

一場世紀爭論

近一個世紀前，這個實驗引發(fā)了兩位物理學大師——愛因斯坦（Albert Einstein）與玻爾（Niels Bohr）之間一場著名爭論。

1927年，愛因斯坦提出，如果光子確實是粒子，那么它應該只通過其中的一條狹縫，并且會在通過的過程中對這個狹縫施加微小的力。他設想，我們可以在觀測到干涉圖樣的同時探測到這種力，進而同時捕捉到光的波粒二象性。而玻爾則用不確定性原理反駁道：一旦試圖探測光子的路徑信息，干涉圖樣便會消失。

自那之后，物理學界進行了多個版本的雙縫實驗，幾乎都在不同程度上驗證了玻爾的觀點。如今，在新的研究中，一組物理學家用單原子與單光子進行了迄今為止最為“理想化”的楊氏雙縫實驗。那么，他們究竟發(fā)現(xiàn)了什么？

最小的“狹縫”

新實驗從量子本質出發(fā)，極簡化了實驗設置：用單原子充當“狹縫”，并用微弱的光束保證每個原子最多只與一個光子發(fā)生散射。

起初，研究團隊的目標并非復現(xiàn)雙縫實驗，而是想要探究光的散射能如何揭示超冷原子材料的性質。但他們很快意識到，通過量化這種散射過程像“波”或像“粒子”的程度，就能以一種非常理想的方式重現(xiàn)這個著名實驗。

在實驗中，研究人員使用了超過10000個被冷卻至微開爾文級的原子，并通過激光將其排列成均勻間隔的晶格。每個原子之間相距足夠遠，以至于每個原子都可被視作一個單獨的、孤立的、完全相同的單原子。相比一兩個原子，這種大規(guī)模的排列更容易產生可被觀測的散射信號。

在這種設置下，研究人員向原子陣列照射一束微弱的光，并觀測單光子是如何從兩個相鄰原子上散射出來的——這一過程與光穿越雙縫再干涉的情形極為相似。因此，這個實驗可被視為雙縫實驗的全新變體，這些單原子就像可被制造出的最小“狹縫”。

調控“模糊性”

研究人員特別感興趣的是，如何精確調控光子，以達到光子一半表現(xiàn)得像波，一半表現(xiàn)得像粒子的情況。為了實現(xiàn)這一目標，他們通過改變原子的“模糊性”——即原子位置的不確定程度——來調整光子以波的形式出現(xiàn)的概率。

實驗中的10000個原子都由激光控制，激光可以收緊或放松對原子的束縛。一個原子被束縛越松，它就顯得越模糊，或者說“空間上越廣泛”。而越是模糊的原子，越容易被光子干擾，從而就可以記錄下光子的路徑信息。

通過調整原子的模糊性，研究人員發(fā)現(xiàn)原子越模糊，光子越像粒子，而干涉條紋則越淡。換言之，獲得的光子路徑信息越多，干涉圖樣就越不明顯。他們的觀測結果與理論描述完全一致。

檢驗“彈簧”假設

研究人員進一步測試了愛因斯坦的“彈簧”設想。在概念上講，假設每條狹縫都開在一張極薄的紙片上，而這張紙又由彈簧懸掛在空中，那么通過其中一個狹縫的光子，會在一定程度上震動相應的彈簧，進而留下“粒子性”的信號。

在過去的一些雙縫實驗版本中，物理學家已經試圖引入這種“彈簧”，并表明“彈簧”在描述光子的波粒二象性方面發(fā)揮了重要作用。

但在新研究中，研究人員在移除“彈簧”的情況下進行了實驗：在實驗中，原子云最初由激光固定，類似于用“彈簧懸掛”的概念。研究人員推測，如果移除激光“彈簧”，仍能觀測到同樣的現(xiàn)象，就表明彈簧對光子的波粒二象性沒有影響。

而這正是他們在實驗中觀測到的結果：在多次實驗中，他們關閉了將原子固定在原位的“彈簧”激光，然后在原子變得更加模糊并最終因重力而下落之前，在百萬分之一秒內迅速進行了測量。在這極短的時間內，原子漂浮在了自由空間中。在沒有“彈簧”的情況下，研究人員觀測到了同樣的現(xiàn)象：光子的波和粒子性質無法同時被觀測。

這表明，“彈簧”并非關鍵，真正重要的是原子的“模糊性”。

實驗意義

這一經典實驗的理想化版本展示了，只要原子受到光子干擾——無論多么輕微，干涉條紋都會減弱。它再次表明，光的波粒二象性無法同時被觀測：一旦試圖觀測光的粒子性，其波動性就會消失。這意味著物理學家必須采用更深刻的量子描述——涉及光子與原子之間的量子關聯(lián)。

#參考來源：

https://news.mit.edu/2025/famous-double-slit-experiment-holds-when-stripped-to-quantum-essentials-0728

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/zwhd-1k2t

#圖片來源：

封面圖&首圖：Fedoseev et al. via MIT News