光，可以說(shuō)是我們生活中最“熟悉的陌生人”——它是如此熟悉，從出生時(shí)見(jiàn)到這個(gè)世界的第一面起，我們就依靠它看見(jiàn)周圍的一切；而它又如此陌生，就像個(gè)有著“雙重人格”的潛伏者，科學(xué)家們用上百年的努力試圖揭露它的身份，卻只是更加證明了，它的“性格”就是這樣的撲朔迷離。

現(xiàn)代的量子力學(xué)告訴我們，光既有粒子的性質(zhì)，又有波的性質(zhì)，但是這兩種性質(zhì)卻不能同時(shí)被探測(cè)到。最近，麻省理工學(xué)院（MIT）的科學(xué)家們完成了一項(xiàng)新的實(shí)驗(yàn)，為光的這一特點(diǎn)提供了原子精度的證明。

恰逢量子力學(xué)誕生100周年之際，這項(xiàng)研究更是具有了非凡的紀(jì)念價(jià)值。要真正理解這項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)的非凡之處，讓我們先回到故事的起點(diǎn)，踏上一場(chǎng)跨越世紀(jì)的偵探之旅，去追尋我們身邊這位“熟悉的陌生人”的真實(shí)身份吧。

經(jīng)典時(shí)代的先驅(qū)者

在經(jīng)典力學(xué)的時(shí)代，人們就一直在對(duì)“光是什么”這個(gè)問(wèn)題孜孜不倦地探索。

17世紀(jì)，牛頓發(fā)現(xiàn)白色的太陽(yáng)光通過(guò)三棱鏡后，被分成了七種不同的顏色——于是他推斷，光是由各種不同顏色粒子組成的粒子束，而當(dāng)不同顏色的光混在一起，就好像顏料在調(diào)色板上混合一樣，可以組成新的顏色。根據(jù)這一推斷，牛頓以微粒的運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，發(fā)展了一套光學(xué)體系，這就是光的微粒說(shuō)。

牛頓進(jìn)行太陽(yáng)光的色散實(shí)驗(yàn) 來(lái)源：新浪

但是，牛頓的這套理論并不能完全使人信服，因?yàn)樗鼰o(wú)法解釋關(guān)于光的一切現(xiàn)象。而牛頓最著名的反對(duì)者，就是提出了光的波動(dòng)說(shuō)的惠更斯。惠更斯認(rèn)為，光應(yīng)該是一種介質(zhì)中的波，根據(jù)這個(gè)推斷，他不僅成功地解釋了微粒說(shuō)無(wú)法解釋的“牛頓環(huán)”現(xiàn)象，還正確地導(dǎo)出了光的折射和反射定律。

牛頓環(huán)，現(xiàn)在我們已經(jīng)很明確，這樣的條紋來(lái)自于光的薄膜干涉現(xiàn)象，而這典型地體現(xiàn)了光的波動(dòng)性  來(lái)源：維基百科

這兩種說(shuō)法看起來(lái)各有各的道理，各自的支持者誰(shuí)也不服誰(shuí)。直到1801年，托馬斯·楊的光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)似乎為這場(chǎng)辯論畫下了句號(hào)。他讓一束光通過(guò)兩條狹縫，屏幕上得出了一系列明暗交錯(cuò)的干涉條紋。

可以想象這和水波的行為極其相似：如果在水面上兩個(gè)不同的位置同時(shí)有石子落下產(chǎn)生兩道漣漪，它們擴(kuò)散的時(shí)候互相重疊，就會(huì)形成高與平相間的條紋。這是因?yàn)?，高的地方，兩道波的波峰處剛好重疊，于是總的波變大了，而平的地方，一道波峰與一道波谷重疊，剛好波動(dòng)就被抵消了。

水面上波的干涉 來(lái)源：youtube

波的干涉原理示意圖。左圖：當(dāng)兩個(gè)波完全重疊，疊加出更強(qiáng)的波，對(duì)應(yīng)干涉條紋中的亮條紋；右圖：當(dāng)兩個(gè)波發(fā)生交錯(cuò)，波的強(qiáng)度被抵消了，對(duì)應(yīng)干涉條紋中的暗條紋。 來(lái)源：維基百科

所以，這干涉條紋就代表著波動(dòng)說(shuō)的勝利——如果光是粒子，屏幕上應(yīng)該只有兩道亮線才對(duì)！

光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)示意圖 來(lái)源：維基百科

來(lái)自綠色激光器的光穿過(guò)兩個(gè)相距不到一毫米寬的狹縫產(chǎn)生的干涉條紋 來(lái)源：維基百科

于是，微粒說(shuō)就這樣淡出了歷史舞臺(tái)，而之后的100年間，電磁學(xué)蓬勃發(fā)展，麥克斯韋整合了電磁學(xué)理論，寫出了描述電磁波的統(tǒng)一方程組——并預(yù)言了光就是其中的一部分。此后，赫茲又用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了麥克斯韋的理論。光的波動(dòng)說(shuō)，一時(shí)風(fēng)頭無(wú)兩。

量子時(shí)代的反轉(zhuǎn)劇情

可是，到了量子時(shí)代，人們卻發(fā)現(xiàn)，波動(dòng)說(shuō)的成功，看似是一個(gè)結(jié)局，其實(shí)卻只是一個(gè)開(kāi)始。

問(wèn)題出在一種叫做“光電效應(yīng)”的現(xiàn)象上。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是用光照射金屬類的材料，有可能會(huì)打出材料中的電子。但是，這種現(xiàn)象有一個(gè)奇特的條件：只有當(dāng)光的頻率高于某個(gè)門檻值時(shí)，才能打出電子，低于此門檻則無(wú)論光多強(qiáng)都無(wú)效。此外，光的強(qiáng)度只決定飛出電子的數(shù)量，而光的頻率卻決定了電子飛出的初始速度。

如果把光當(dāng)成一種波，這一切都顯得不對(duì)勁：光就好比一個(gè)不停擊打小球的棒球手，光的強(qiáng)度代表著它出多少力氣，而光的頻率代表著它每秒鐘內(nèi)揮棒的次數(shù)有多少次。這樣一來(lái)，難道不應(yīng)該是它出的力氣大?。ü鈴?qiáng)）決定它能否打出小球，而它揮棒的次數(shù)（頻率）決定了它共打出多少個(gè)球嗎？

光電效應(yīng)示意圖。其中“e”正是代表電子的符號(hào)。 來(lái)源：Erdal Taslidere

這個(gè)奇怪的問(wèn)題，在1905年被初出茅廬的愛(ài)因斯坦完美地解決了。愛(ài)因斯坦使用了當(dāng)時(shí)同樣新潮的量子理論，有創(chuàng)造性地提出，光發(fā)射出去的能量并不是連續(xù)的，而是像豌豆射手一樣，一粒一粒地出去，射出的每一?！白訌棥北唤凶鲆粋€(gè)“光子”。

光子的能量大小取決于它的頻率——頻率越大，能量就越大，這就是為什么，頻率低到一定程度，光就打不出電子了，而頻率越大的光，打出去的電子飛得還越快。而且，光的強(qiáng)度決定了這一束光里究竟有多少個(gè)光子——子彈的總數(shù)量恰好對(duì)應(yīng)著被打出去的小球的數(shù)量，這也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

人們不得不接受這個(gè)惱人的事實(shí)：沉睡多年的光的微粒說(shuō)，居然還能復(fù)活。光既能是一種粒子，又能是一種波！

那么，之前的那個(gè)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，對(duì)于愛(ài)因斯坦的理論還適用嗎？既然光能分成一個(gè)個(gè)光子，那么如果我用一束很弱的光去通過(guò)狹縫，弱到一次只能經(jīng)過(guò)一個(gè)光子，它總不能自己跟自己干涉吧？

1909年，杰弗里·泰勒爵士就做了一個(gè)這樣的實(shí)驗(yàn)。他將實(shí)驗(yàn)所用的光源調(diào)得非常暗，暗到一次只有一個(gè)光子被發(fā)射出來(lái)。令人震驚的現(xiàn)象發(fā)生了，雖然光子是一個(gè)一個(gè)發(fā)射的，但是經(jīng)過(guò)了一定時(shí)間的積累之后，他的感光底片上還是出現(xiàn)了明暗相間的干涉條紋。

這真是太奇怪了，難道單個(gè)光子“知道”有兩條縫的存在，并與“自己”發(fā)生了干涉？它難道是同時(shí)穿過(guò)了兩條縫嗎？還是說(shuō)，每一個(gè)光子都穿過(guò)了其中的一條？我們有可能得到這個(gè)答案嗎？

愛(ài)因斯坦與玻爾的世紀(jì)之辯

為了這個(gè)問(wèn)題，20世紀(jì)物理學(xué)史上兩個(gè)最偉大的頭腦——愛(ài)因斯坦與玻爾，展開(kāi)了著名的辯論。

愛(ài)因斯坦與玻爾 來(lái)源：歷史資料

愛(ài)因斯坦無(wú)法接受這樣“幽靈般”的現(xiàn)實(shí)，他堅(jiān)信，一定有某種辦法，可以探測(cè)到單個(gè)光子究竟是走了左邊還是右邊的路。他做了這樣一個(gè)“思想實(shí)驗(yàn)”——假設(shè)狹縫上有一個(gè)微小的彈簧，如果光子穿過(guò)，彈簧就會(huì)被推動(dòng)，這樣，我們就能知道光子到底走的是哪條路徑了。

但玻爾認(rèn)為，愛(ài)因斯坦的想法并不合理。假設(shè)真的有一個(gè)這樣的彈簧被光子推動(dòng)，那么光子和狹縫勢(shì)必會(huì)受到它的反沖力——這種測(cè)量方式，對(duì)于一個(gè)宏觀的球來(lái)說(shuō)影響可能微乎其微，但是對(duì)于微小的光子，就能完全破壞它原本的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，那么精妙的干涉所形成的條紋，也就不復(fù)存在了。

也就是說(shuō)，如果我們“看見(jiàn)”光作為粒子通過(guò)了其中一條狹縫，我們就看不見(jiàn)光作為波形成的干涉條紋，反之亦然。

這就是玻爾提出的互補(bǔ)原理的精髓：光既是粒子，也是波，它們卻好像一個(gè)硬幣的兩面，不能同時(shí)被體現(xiàn)，但只有這二者的結(jié)合，才能完整地描述光的屬性。

一張?bào)w現(xiàn)了互補(bǔ)原理的藝術(shù)作品：當(dāng)你在畫面中看見(jiàn)一個(gè)少女，你就無(wú)法將它識(shí)別成一個(gè)老婦，反之亦然。 來(lái)源：維基百科

回到最新的實(shí)驗(yàn)

在此之后的幾十年里，物理學(xué)家們將愛(ài)因斯坦的思想實(shí)驗(yàn)付諸現(xiàn)實(shí)，試圖在獲得光子的路徑信息的同時(shí)觀察到干涉條紋——而這些實(shí)驗(yàn)最終都指向了玻爾的正確：一旦試圖探測(cè)光子的路徑，光的粒子性增加，光的波動(dòng)性就隨之減弱。那么，MIT的這次實(shí)驗(yàn)，又有著哪些創(chuàng)新呢？

來(lái)源：MIT

一個(gè)重要的變革，是拋棄了實(shí)際的“狹縫”裝置，而直接用激光囚禁一個(gè)個(gè)原子，用原子本身充當(dāng)最小的狹縫。然后，他們用極其微弱的光束照射這些原子，弱到每次最多只有一個(gè)光子與原子發(fā)生作用。

通過(guò)調(diào)整用于囚禁原子的激光，研究團(tuán)隊(duì)可以精確地調(diào)整原子的狀態(tài)，改變其位置的“模糊性”。當(dāng)一個(gè)原子被激光牢牢囚禁時(shí)，它的位置就非常確定；而當(dāng)激光的束縛稍微放松時(shí)，就好像裝上了“彈簧”，它的位置就會(huì)變得模糊。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果完美地印證了玻爾的預(yù)測(cè)：原子的位置越模糊，它就越容易記錄下與之作用的光子的路徑信息，這時(shí)光的粒子性就越強(qiáng)，而波動(dòng)干涉條紋的清晰度就越低。反之，當(dāng)原子的位置非常確定時(shí)，就無(wú)法得知光子的路徑，光的波動(dòng)性就表現(xiàn)得淋漓盡致，干涉條紋也最為清晰。

更關(guān)鍵的一步是，最后，研究團(tuán)隊(duì)甚至擺脫了“彈簧”的存在。他們?cè)谀骋凰查g關(guān)掉囚禁原子的激光，也就是固定原子的“彈簧”。在原子因重力下落前的百萬(wàn)分之一秒內(nèi)，他們迅速完成測(cè)量，并得出了相同的結(jié)果：光的粒子性和波動(dòng)性依然無(wú)法被同時(shí)觀測(cè)到。

這從最本質(zhì)的角度驗(yàn)證了互補(bǔ)原理的正確性：在那場(chǎng)辯論中，問(wèn)題的關(guān)鍵并不在于是否有一個(gè)像彈簧一樣的物理裝置帶來(lái)反沖力的干擾，而在于我們是否知道光子的路徑這一信息本身。而這一次，依舊是玻爾勝利了；量子力學(xué)的這塊基石，在它建立的100年后，依舊沒(méi)有被撼動(dòng)。

這場(chǎng)跨越世紀(jì)的偵探之旅，在這里就暫告段落——回顧人類認(rèn)識(shí)光的歷程，微粒說(shuō)與波動(dòng)說(shuō)雖然都曾以為自己打敗了對(duì)方，最后卻以這樣一種方式達(dá)成了“和解”。科學(xué)研究就是這樣，正確的結(jié)論不一定永遠(yuǎn)正確，錯(cuò)誤的結(jié)論也不一定永遠(yuǎn)錯(cuò)誤。我們看到的每個(gè)結(jié)局，其實(shí)都有可能就是下一個(gè)開(kāi)始呢！

作者：張一凡

審核：魏紅祥 中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員

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