北京
美國麻省理工學院(MIT)的科學家以迄今為止最精準而清晰的方式完成了經典雙縫實驗。他們使用兩個單原子作為狹縫，通過測量光子散射后原子屬性的細微變化來推斷光子路徑。實驗結果符合量子理論的預測：未觀測路徑時出現干涉條紋，觀測時則出現兩個亮斑。
雙縫實驗由托馬斯·楊（Thomas Young）于1801年首次完成，之后被重現多次。實驗裝置相當簡單，只要將光線射向擋板上的一對狹縫，接著觀察現象即可。實驗結果卻極不尋常：
若依楊氏實驗那般不對穿過狹縫的光線進行觀測，屏幕上會出現明暗相間的干涉條紋，如同池塘里漣漪交疊；但只要嘗試觀測光子會具體通過哪條狹縫，正如1920年代愛因斯坦提出的“思想實驗”以及后來其他物理學家實驗演示的那樣，干涉條紋就不見了，取而代之的是兩個亮斑。
由此可見，光呈現波動性(條紋)抑或粒子性(亮斑)取決于是否被觀測——現實本身似乎會因觀測行為而改變。
愛因斯坦-玻爾百年量子之爭
愛因斯坦難以接受這樣的結論，并與和自己同時代的量子力學大家尼爾斯·玻爾展開學術論戰。
前者認為：觀測之所以產生影響，僅是因為引入了干擾；若將狹縫設置于彈簧上，通過測量反沖即可揭示光子路徑，與此同時不破壞干涉條紋。
玻爾則反駁：若要精確測量光子反沖以明確其路徑，必然會模糊狹縫位置，導致干涉消失。此難題并非技術缺陷而源于自然法則，也就是他提出的互補原理(Complementarity Principle)——量子系統可以表現波動性，也可以表現粒子性，但無法同時表現兩種特性。
后來物理學家開展的各種版本實驗結果均支持玻爾觀點。不過鑒于真實實驗裝置總不可避免地發生如愛因斯坦所言的干擾，學界始終懷疑，玻爾的這條反直覺法則是否為根本真理？
原子作狹縫，模糊引坍縮
聯合國教科文組織此前將2025年正式設立為國際量子科學技術年。在這項貫穿全年的全球性科技活動中，許多學者都樂于介紹最新研究進展以致敬和歡慶。
德國物理學家沃爾夫岡·克特勒(Wolfgang Ketterle)領銜的麻省理工團隊選擇直接實踐愛因斯坦的思想實驗。
他們首先將一萬多個銣原子冷卻至接近絕對零度并束縛于激光形成的晶格中，讓每個原子充當獨立的光散射體。當有微弱光束穿透該晶格時，單個光子就能被原子散射。
由于光束非常微弱，研究團隊在每個實驗周期內都只收集到極少信息。他們不得不重復數千次實驗以求積累足量數據。
每次實驗的關鍵環節在于控制原子提供的光子路徑信息量。克特勒等人通過調節激光阱來精確控制原子位置的“模糊度”。
被緊密束縛的原子位置明確；根據海森堡不確定性原理，此類原子給不出太多光子路徑信息。因此在這些實驗中，干涉條紋出現了。反之，松散束縛的原子具有更大位置不確定性且能夠移動，若被光子擊中，會留下相互作用的痕跡。位置模糊最終導致干涉條紋坍縮，只留下亮斑，也令玻爾理論再次得到驗證。
上圖為克特勒團隊實驗的原理示意：懸浮于真空腔室內的兩個單原子被激光束照射后充當了雙狹縫結構，散射光的干涉圖樣被一個高靈敏度相機(作為屏幕)記錄下來。非相干光作為背景出現，表明光子以粒子形態僅穿過單一狹縫。
克特勒等人并非首個測量束縛原子散射光的團隊，但此項工作是第一次移除束縛裝置、在原子自由懸浮狀態下重復測量的實驗。其設計對比愛因斯坦的彈簧狹縫構想更進一步，也排除了束縛裝置干擾觀測結果的可能性 ( 因為實驗結果并未改變 ) 。
新成果刊載于7月的《物理評論快報》(
Physical Review Letters) 雜志。致力于研究原子 - 光相互作用的伯明翰大學學者托馬斯·赫德 (Thomas Hird ，未參與工作 ) 對此發表評價：“這是一項無比美妙的實驗，也證明了我們的實驗控制技術已取得巨大進步。它或許遠超愛因斯坦的想象。”
沃爾夫岡·克特勒(右二)及其實驗室成員
麻省理工學院團隊計劃進一步探究——當每個晶格位點存在兩個原子時，會發生什么？
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本文轉載自《世界科學》微信公眾號
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