麻省理工学院的物理学家利用超冷原子和光子重现了双缝实验，证实了量子理论并解决了爱因斯坦和玻尔之间的争论，其结果证明爱因斯坦在持续百年的波粒二象性争论中错了，尼尔斯·玻尔是对的
在一场令人瞩目的量子物理学展示中，一组研究人员以前所未有的精度重现了科学史上最具传奇色彩的实验之一。在麻省理工学院，科学家们将数千个原子冷却至接近绝对零度，用激光将它们排列成整齐的晶格，然后利用这些原子散射单个光子。
这个实验是双缝实验的现代版本，旨在测试光的行为是波还是粒子。这是一个古老的问题，但现在却以一种令人印象深刻的纯粹而直接的方式得到了解答。
这些结果不仅加深了人们对量子力学的理解，也证明了伟大的科学巨人阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)对实验的解释存在缺陷。他的想法——即可能同时测量光的路径及其干涉图样——在原子层面上被检验时，却站不住脚。
这种对经典量子思想实验的现代解读，展现了科技与最抽象的科学理念相遇时所能产生的巨大可能性。它也澄清了物理学中最著名的争论之一，该争论最早发生在近100年前爱因斯坦和尼尔斯·玻尔(Niels . Bohr)之间。
重新审视经典实验
双缝实验经常在高中课堂上被引入，用来解释量子的奇异性。该实验由托马斯·杨于1801年首次完成，最初表明光的行为类似于波。
托马斯·杨(Thomas Young)是一位英国科学家、医生、无所不知的“万能天才”。其传记作者，现代英国作家安德鲁·罗宾森誉他为“世上最后一位无所不知之人”。
后来，随着量子理论的兴起，它也成为光的行为类似于粒子（或光子）的证据。
在最初的设置中，光穿过两个狭缝，到达一个屏幕。如果光子仅像粒子一样运动，它们会形成两个亮点。相反，除非你测量光子穿过了哪个狭缝，否则它们会形成波状干涉图样。一旦你尝试测量路径，干涉图样就会消失，光就会像粒子流一样运动。
这一奇特结果引发了多年的科学争论。爱因斯坦认为，如果光子在穿过狭缝时引起微小的“踢动”，它的路径就可以被追踪。他认为，这或许能让我们同时观察到光子的路径和干涉图样。玻尔不同意这一观点，他利用不确定性原理论证任何测量都会破坏干涉图样。他的解释成为了量子理论的关键组成部分。然而，爱因斯坦并不信服。
更小、更冷、更清晰
为了更纯粹地验证这个想法，沃尔夫冈·凯特勒(Wolfgang Ketterle)和他的麻省理工学院团队使用了超冷原子。他们用激光将超过10,000个原子困在一个紧密的网格中，并将它们冷却到微开尔文温度。这略高于绝对零度，原子的行为完全以量子方式进行。这些原子充当了迄今为止使用过的最小的狭缝。
早期实验使用固定狭缝或物理屏障。但在这里，每个原子都是独立的、完全相同的，并且只准备与一个光子相互作用。研究人员向阵列照射了一束弱光。大多数原子每个只散射一个光子。
他们调整了原子的“模糊性”，即原子位置的可识别程度。模糊的原子会泄露更多关于光子路径的信息，这使得干涉图样变弱。而当原子位置更清晰时，泄漏的路径信息更少，这使得干涉图样更强。他们通过收紧或放松激光阱来调整模糊性，从而控制光的行为更像粒子还是波。
光、模糊性和量子关联
他们的研究成果发表在《物理评论快报》上。结果表明，当路径信息越多时，干涉图样越弱。这一结果与量子理论相符，并支持玻尔的解释。爱因斯坦曾设想，光子会干扰单缝，就像鸟儿拂过树枝一样。
但实验并不支持这一观点。凯特勒团队发现，物理扰动或“弹簧”装置并不重要。关键在于量子模糊性——原子位置的不确定性。
凯特勒说：“爱因斯坦和玻尔从未想过可以用单个原子和单个光子进行这样的实验。我们现在所做的是一个理想化的思想实验。”
主要研究参与者维塔利·费多谢耶夫(Vitaly Fedoseev)说：“我们意识到我们可以量化这种散射过程像粒子或波的程度。” 该团队可以测量一个光子在两个原子之间散射的方式，就像光穿过狭缝一样。
剪断琴弦——结果依然一样
为了测试扰动——爱因斯坦的“弹簧”的作用，研究团队做了一些改变。起初，原子被激光固定在原地，就像用弹簧固定狭缝一样。在之后的试验中，他们关闭了激光，让原子自由漂浮。他们在几微秒内测量到了散射，之后重力会将原子拉下或使其变得模糊。
结果与之前原子被束缚时的结果相符。这表明类似弹簧的装置不会影响光子的行为。
费多谢耶夫解释说：“在许多描述中，弹簧起着重要作用。但我们表明，弹簧在这里并不重要；重要的只是原子的模糊性。” “我们必须使用更深刻的描述，即利用光子和原子之间的量子关联。”
因此，导致这种变化的不是任何物理运动，而是光子和原子之间共享了多少量子信息。
量子之年，量子之果
这项实验来得正是时候。联合国将2025年定为国际量子科学技术年。这标志着量子力学诞生100周年。玻尔和爱因斯坦的辩论就发生在那之后的两年，即1927年。如今，近一个世纪过去了，麻省理工学院的科学家们给出了迄今为止最清晰的答案之一。
他们的实验版本使用单个原子作为尽可能最小的狭缝。它证实了波粒二象性取决于量子不确定性。你不可能知道光子的路径，却仍然能看到它的波动模式。虽然这可能不会改变量子理论本身，但它证明了技术已经取得了多大的进步。它让科学家们能够用更清晰、更清晰的实验重新审视那些古老的问题。
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