這一次，是愛因斯坦錯了，中國科學家終結了他與玻爾的世紀之辯

愛因斯坦是一位對人類物理學做出了巨大貢獻的物理學家，在過去的日子里，他提出的理論不斷地得到驗證，我們也經常看到諸如“愛因斯坦又對了”這樣的描述。

然而根據(jù)一項近日發(fā)表在《物理評論快報》上的新研究，來自中國科學技術大學的科學家團隊通過實驗終結了他與玻爾的那場世紀之辯，實驗結果表明，這一次，是愛因斯坦錯了。這到底是怎么回事呢？下面我們就來了解一下。

在進入20世紀之后，人們逐漸意識到，微觀粒子是具有波粒二象性的，也就是說，它們可以同時具有波動性與粒子性，而為了深入研究微觀粒子的波粒二象性，科學家還設計了一種堪稱經典的雙縫實驗。

其內容簡單來講就是，讓單個微觀粒子逐個通過一塊帶有兩條狹縫的擋板，然后再抵達后方放置的探測屏，通過對粒子在探測屏的落點分布進行分析，就可以知道粒子到底是以波的形式還是以粒子的形式穿過了狹縫。

在進行實驗時，科學家發(fā)現(xiàn)，如果不去觀測粒子到底是經過哪一條縫，那隨著粒子落點的累積，探測屏上就會形成明暗相間的干涉條紋，表現(xiàn)出波動性，而如果對粒子的經過路徑進行了觀測，探測屏上就不會出現(xiàn)干涉條紋，表現(xiàn)出粒子性。

對于這種現(xiàn)象，量子力學哥本哈根詮釋的主要創(chuàng)立者尼爾斯·玻爾用“互補原理”進行了解釋，他認為，微觀粒子的波動性與粒子性不能同時被觀察到，也就是說，如果你想觀測粒子的路徑（粒子性），干涉條紋（波動性）就會消失，而如果你想看干涉條紋，就必須放棄去觀測粒子的路徑。

然而愛因斯坦并不認同玻爾的理論，為了對其進行反駁，他在1927年的索爾維會議上提出了一個精妙的實驗，試圖在不破壞干涉條紋的前提下，獲取粒子的路徑信息。

他的設計大概是這樣的：在常規(guī)的雙縫板之前，再加一道只有一條狹縫的擋板，微觀粒子必須先穿過這個單縫，才能到達后面的雙縫。這個設計的關鍵在于，實驗中的狹縫需要水平排列，其中單縫擋板不是固定的，而是懸掛在一個極高靈敏度的彈簧上，可以上下自由移動。

愛因斯坦指出，當一個光子穿過單縫射向后面雙縫中的“上縫”時，它必然發(fā)生偏折，獲得一個向上的動量分量，而根據(jù)動量守恒定律，此時單縫擋板必然會受到一個向下的“反沖”，反之，如果光子去了“下縫”，擋板就會受到向上的“反沖”。

在這樣的情況下，只要我們足夠精確地測量這塊單縫擋板在光子通過前后的動量變化，我們就能通過“反沖”的方向，推斷出光子到底去了哪條縫，而在此過程中，光子本身并沒有在后面的雙縫處受到直接干擾，因此它理應繼續(xù)在探測屏上形成干涉條紋。

可以看到，如果愛因斯坦的設想成立，那么我們就可以同時獲得路徑信息（粒子性）和干涉條紋（波動性），如此一來，就直接證偽了玻爾的理論。

對于這個實驗，玻爾反駁道，根據(jù)海森堡不確定性原理，精確測量粒子的動量會導致粒子位置存在很大的不確定性，最終結果就是：干涉條紋依然會被破壞。

可以看到，愛因斯坦與玻爾各有各的道理，那他們誰對誰錯呢？很明顯，做一下這個實驗就可以知道了。然而由于光子的動量極小，想要在實驗中通過測量光子對一個宏觀物體的影響來判斷光子的去向，在技術上是不可能的任務，因此這個問題遲遲沒有確定的答案。

那此次研究又是如何終結愛因斯坦與玻爾的這場世紀之辯的呢？答案就是，既然宏觀物體測不出來，那么我們就用微觀粒子。

在實驗室中，科學家利用先進的光鑷技術，將一個銣原子精準地“囚禁”在一個勢阱之內（簡單來講，光鑷技術就是利用激光聚焦產生的輻射壓力和梯度力捕獲和操縱微觀粒子）。

由于銣原子足夠輕，當單個光子與它發(fā)生相互作用時，光子傳遞給原子的動量就足以產生可觀測的量子態(tài)改變，因此這個銣原子就可以充當愛因斯坦設想中那個“掛在彈簧上的單縫擋板”。

一個簡單的原理就是，當光子通過這個由銣原子構成的“單縫擋板”時，它會與原子發(fā)生動量交換，進而導致原子動量發(fā)生改變，通過測量出原子受了多大的“反沖”，就相當于獲取到了光子的路徑信息，測量精確度越高，光子的路徑信息就越明確。

為了確保測量的準確性，科學家利用一種被稱為“三維拉曼邊帶冷卻”的技術，將銣原子的位置和動量不確定性壓縮到了非常接近理論極限，進而讓其一直保持在與單個光子動量相當?shù)牧考墶?/p>

在實驗過程中，科學家通過精密調節(jié)光鑷的束縛強度，動態(tài)地調整對原子動量測量的精確度（束縛強度越低，原子動量不確定性就越小，測量精確度也就越高，反之亦然）。

結果發(fā)現(xiàn)，在測量精底度極低的情況下，后方探測屏上會出現(xiàn)清晰的干涉條紋，而隨著測量精度的上升，干涉條紋就會逐漸模糊，并且測量精度越高，干涉條紋就越模糊。

可以看到，這樣的實驗數(shù)據(jù)幾乎完美地符合玻爾提出的理論，這也標志著愛因斯坦與玻爾的那場世紀之辯的終結：這一次，是愛因斯坦錯了。

參考資料：Y.-C. Zhang et al., Tunable Einstein-Bohr recoiling-slit Gedankenexperiment at the quantum limit, Phys. Rev. Lett. 135, 230202 (2025).