愛因斯坦-玻爾世紀之辯，中科大團隊用實驗給出了裁決

根據合肥國家實驗室消息， 2025 年 12 月 2 日，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽、陳明城教授等組成的研究團隊在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上發表的一項研究，為 1927 年索爾維會議上愛因斯坦與玻爾圍繞量子力學本質的激烈辯論提供了量子極限下的直接實驗證據。團隊用單個原子和單個光子完成了愛因斯坦在 1927 年提出的思想實驗，實驗結果明確支持了玻爾對量子互補性原理的詮釋。

圖丨相關論文（來源：Physical Review Letters）

故事要從近百年前說起。1927 年第五屆索爾維會議（Solvay Conference）云集了當時物理學界最耀眼的群星，愛因斯坦和玻爾在那里展開了關于量子力學詮釋的著名爭論。

圖丨第五屆索爾維會議（來源：Wikipedia）

彼時的愛因斯坦雖然因光量子假說獲得了諾貝爾獎，卻始終無法接受量子力學中那種“上帝擲骰子”的本質不確定性。他設計了一個巧妙的思想實驗來挑戰玻爾的互補性原理（Complementarity Principle）：在經典的雙縫干涉實驗中，在雙縫系統前增加一道由彈簧懸掛的可移動狹縫，當光子最終走向上方或下方路徑時，會在這一狹縫上留下可測的反沖。

愛因斯坦認為，通過測量這個反沖，就能知道光子究竟走了哪條路徑，這是粒子性的體現；同時，光子還會在屏幕上形成干涉條紋，這又是波動性的體現。如果這個實驗能夠實現，豈不是意味著可以同時觀測到光的波粒二象性？

（來源：Physical Review Letters）

玻爾的反擊援引了海森堡提出的不確定性原理（Uncertainty Principle）指出，要精確測量狹縫的反沖動量，就必然導致狹縫位置的不確定性增大，而這種位置的模糊會“洗掉”干涉條紋。換句話說，你越是試圖獲取光子路徑信息（粒子性），就越會破壞干涉圖案（波動性）。兩者無法兼得，這正是互補性原理的核心要義。

這場思想實驗的論戰在當時只能停留在紙面上，因為技術條件根本無法滿足實驗要求。要讓這個實驗真正成立，那個“可移動的狹縫”必須足夠輕、量子態足夠純凈，其動量不確定性 Δp 要小于單個光子的動量 ?k（? 是約化普朗克常數，k 是光子波矢）。

對于一個宏觀物體而言，哪怕是 1 克重的鏡子，在 100kHz 頻率下的基態動量不確定性約為 10 的負 16 次方千克米每秒，而一個光學光子的動量僅為 10 的負 27 次方千克米每秒，兩者相差了 11 個數量級。這意味著用任何宏觀物體作為“可移動狹縫”都無法勝任量子觀測者的角色。

直到 2025 年，技術的進步終于讓這個思想實驗從理想走向現實。有意思的是，幾乎在同一年里，兩支頂尖團隊不約而同地向這個世紀難題發起沖擊。

7 月，MIT 的諾貝爾獎得主 Wolfgang Ketterle 領銜的團隊率先在《物理評論快報》上發表了他們的成果，使用超過一萬個超冷原子排列成晶格，每個原子充當一個獨立的“狹縫”。

圖丨相關論文（來源：Physical Review Letters）

而中國科大的團隊則走得更遠，他們用單個銣-87 原子（87Rb）實現了這個思想實驗，將量子觀測推向了真正的量子極限。

潘建偉團隊的實驗方案基于光學鑷子技術和極低溫原子操控。他們使用波長 852 納米的激光形成光學鑷子（Optical Tweezer），將一個單獨的銣原子捕獲其中。接下來的關鍵步驟是將這個原子冷卻到三維運動的基態，這是一個原子能夠達到的最低能量狀態，此時原子的動量不確定性降到了理論極限。

研究人員用三維拉曼邊帶冷卻（Raman Sideband Cooling）技術來實現這個目標。最困難的是軸向冷卻，因為軸向囚禁頻率只有約 40kHz，遠低于徑向的 300kHz。團隊將兩束拉曼光束以 60 度角對準鑷子軸向，在最大化軸向耦合的同時抵消了徑向效應。

最終測量顯示，軸向基態占據率達到了 0.91，徑向更是高達 0.99，也就是說，原子幾乎完全處于量子基態。

圖丨實驗裝置示意圖（來源：Physical Review Letters）

在這種極限冷卻條件下，單個基態原子的動量不確定性被控制在與單光子動量相當的量級。更重要的是，通過改變光鑷的阱深（從 0.60 到 10.49 mK），研究人員可以動態調整原子的動量不確定性，范圍覆蓋從 0.78 到 1.60 倍的光子動量 ?k。這種可調性是此前任何實驗都未曾實現的。

實驗的核心設計則對愛因斯坦原初構想進行了忠實還原。當單個光子與原子發生瑞利散射（Rayleigh Scattering）時，光子可能向上或向下偏轉，同時給原子施加一個相反方向的反沖動量。

這個過程導致光子和原子形成量子糾纏（Quantum Entanglement）：光子的路徑信息被編碼到了原子的動量狀態中。如果用量子態來描述，這個糾纏態可以寫成 |ψ(p-?k)?slit|+?k?photon + ei?|ψ(p+?k)?slit|-?k?photon，其中 ψ(p) 代表原子的動量波函數，? 是兩條路徑的相位差。

關鍵的物理圖像在于原子動量波函數的重疊程度。當光子給原子施加 ±?k 的反沖時，原子的動量波函數會發生位移。如果原子初始動量不確定性 Δp 遠大于 ?k，兩個位移后的波函數幾乎完全重疊，此時光子的路徑信息幾乎完全丟失，干涉可見度 V 接近 1。

反之，如果 Δp 遠小于?k，兩個波函數幾乎不重疊，路徑信息被清晰地記錄下來，干涉條紋消失，可見度趨近于 0。實驗測得的可見度公式 V = exp(-2η2)與理論預測很好吻合，其中 η=?k/(2Δp)是歸一化的反沖動量參數，類似于離子囚禁中的蘭姆-迪克參數（Lamb-Dicke Parameter）。

為了保證實驗的精度，團隊還必須克服一個看似平凡實則關鍵的技術難題：相位穩定性。干涉實驗最怕環境擾動引起的相位漂移，哪怕是溫度的微小波動或者機械振動都可能毀掉干涉圖案。

研究人員將整個光學系統鎖相到一個 1,064 納米的參考激光上，通過主動反饋控制將兩條光路的相位噪聲壓制到 16.5 毫弧度，對應的光程穩定性達到 2.8 納米。在長達十小時的連續測量中，這個系統展現出了驚人的穩定性。

實驗結果有力地支持了玻爾的觀點。當光鑷阱深從淺到深變化時，對應的軸向聲子頻率從 8.6 kHz上升到 36.0kHz，原子基態動量不確定性也隨之增大。此時觀測到的單光子干涉可見度從 0.3 逐步上升到 0.84，遵循著 V=exp(-2η2)的理論曲線。

這個簡潔的指數關系揭示了互補性原理的量子本質：獲取的路徑信息越多（動量不確定性 Δp 越小、對應的 η 越大），可見度下降越嚴重；反之，當我們放棄路徑信息（Δp 越大、η 越小）時，波動性越顯著。

圖丨實驗核心結果（來源：Physical Review Letters）

更進一步，團隊還巧妙地區分了量子極限噪聲和經典加熱噪聲。由于三維拉曼冷卻并非完美，加上光鑷阱深調整和光子散射過程都會引入額外的聲子激發，導致原子偏離基態。

研究人員通過實時的拉曼光譜測量，精確標定了每次散射前原子的平均剩余聲子數 n?，范圍從 0.08 到 0.37。將這個經典加熱效應納入理論后，修正的可見度公式變為 V=exp(-2η2eff)，其中ηeff = η√(2n?+1)。實驗數據與修正理論的完美吻合，不僅驗證了互補性原理，更展示了量子系統如何在真實環境中經歷從量子到經典的漸進過渡。

這項工作的意義遠不止于為一場世紀辯論提供實驗裁決。從量子信息科學的角度看，它為探索光子-原子糾纏的連續變量特性開辟了新途徑。論文中提到的后續方向包括對原子動量波函數的層析成像（Tomography）、制備動量壓縮態（Momentum Squeezed State）乃至戈特斯曼-基塔耶夫-普列斯基爾態（Gottesman-Kitaev-Preskill State，簡稱 GKP 態），這些都是容錯量子計算的核心資源。

更誘人的前景在于，通過逐步增加這個“可移動狹縫”的質量，或許能夠探測到量子退相干（Decoherence）與引力的微妙關聯，這正是當今量子基礎理論最前沿的課題。

有意思的是，2025 年被聯合國定為國際量子科學技術年（International Year of Quantum Science and Technology），紀念量子力學誕生一百周年。而愛因斯坦與玻爾在索爾維會議上的那場辯論發生在 1927 年，恰好是量子力學誕生兩年后。歷史的巧合似乎有意安排 MIT 和中國科大的團隊在這個特殊的年份，用實驗為那場曠世爭論寫下注腳。

當然，科學的進步從來不是終點，而是新起點。玻爾贏得了這場關于互補性的辯論，但愛因斯坦關于量子力學完備性的質疑，即著名的 EPR 佯謬（Einstein-Podolsky-Rosen Paradox），卻催生了貝爾不等式（Bell's Inequality）和后來對量子非定域性的一系列實驗驗證，反而推動了量子信息革命。

在某種意義上，兩位巨人的爭論都是對的：愛因斯坦追問的是“為什么”，玻爾回答的是“是什么”。前者驅動我們不斷拓展認知邊界，后者教會我們尊重自然的真實面貌。

當實驗室里的單個原子在光鑷中等待，與一個光子完成量子糾纏的瞬間，一個延續了 98 年的科學故事終于塵埃落定。但新的問題已在地平線上浮現：當這個原子的質量逐漸增大，從微觀走向介觀乃至宏觀，量子世界與經典世界的邊界究竟在哪里？退相干從何而來？量子引力效應何時顯現？

愛因斯坦和玻爾如果泉下有知，或許會欣然看到，他們當年的思想交鋒并未隨著一方獲勝而終結，反而像一粒種子，在百年后的實驗室里開出了更絢爛的花。

參考資料：

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

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

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