雙縫實驗（Double-Slit Experiment）是物理學中最著名的實驗之一，最初由英國學者 Thomas Young 於 1801 年進行，因其以驚人簡單的方式揭示了一個令人費解的現實而聞名：光同時以粒子和波的形式存在。更詭異的是，這兩種形象永遠無法同時出現——一旦你看到光的粒子性，波動性就立刻消失，反之亦然。
經典做法是把光束射向一塊開有兩條平行狹縫的屏，再在遠處的第二塊屏上觀察圖樣。如果光只是粒子，應出現兩條簡單重疊的亮斑；可實際上出現的是明暗相間的干涉條紋，像兩圈水波交匯。更離奇的是，一旦你想測量光子到底穿過哪條縫，干涉條紋立刻消失，光開始表現得像粒子。
（來源：維基百科）
這個實驗也曾是愛因斯坦和尼爾斯·玻爾友好論戰的焦點。
1927 年，愛因斯坦提出：一個光子應該只穿過兩條狹縫中的一條，並在此過程中對該狹縫產生一個微弱的作用力，就像一隻鳥飛過時扇動了一片樹葉。他提出，人們可以檢測到這種作用力，同時也能觀察到干涉圖樣，從而同時捕捉到光的粒子和波本質。作爲回應，玻爾運用量子力學的不確定性原理，證明了檢測光子路徑的行爲將會抹去幹涉圖樣。
此後，科學家做過多次雙縫實驗，都在不同程度上支持了玻爾的量子理論。
近日，麻省理工學院的物理學家完成了一次近乎“理想化”的雙縫實驗，他們以原子級精度，再次揭示了光既是波又是粒子的雙重卻又不可兼得的本質，也順便證明愛因斯坦在這次量子爭論中確實錯了。
研究成果發表在 Physical Review Letters 期刊。論文第一作者 Vitaly Fedoseev，與 Hanzhen Lin、Yu-Kun Lu、Yoo Kyung Lee、Jiahao Lyu 等同屬 MIT 物理系、電子研究實驗室及 MIT–哈佛超冷原子中心。
雙縫實驗的新變體
他們把實驗精簡到量子本質——用單個原子做狹縫，並用極弱光束確保每個原子最多散射一個光子。通過將原子製備到不同量子態，他們可精確控制原子對光子路徑信息的獲取量。結果再次驗證量子理論：獲取的路徑信息越多（粒子性越明顯），干涉條紋的可見度就越低。
實驗直接展示了愛因斯坦錯在哪裏：只要原子被經過的光子“輕輕碰了一下”，波的干涉就立即減弱。
“愛因斯坦和玻爾做夢也想不到，我們竟能用單個原子和單個光子完成這樣的實驗，”MIT 物理學 John D. MacArthur 講席教授、團隊負責人 Wolfgang Ketterle 說。
研究小組對原子和分子進行了實驗。他們將原子和分子超冷卻到接近絕對零度的溫度，並用激光將它們排列成特定構型並“囚禁”起來。在這些經過精心調諧的超冷原子雲中，只在量子尺度、單原子層面纔會出現的奇異現象便會顯現出來。
在最近的一項實驗中，該團隊正在研究一個看似無關的問題：光散射如何能揭示由超冷原子構建的材料的特性？
“我們意識到，可以量化這種散射過程在多大程度上像粒子或像波，”Fedoseev 說，“我們很快意識到，可以應用這種新方法，以一種非常理想化的方式來實現這個著名的實驗。”
在這項新研究中，團隊使用了超過 10,000 個原子，並將它們冷卻到微開爾文（microkelvin）溫度。他們使用一列激光束，將這些冷凍的原子排列成間距均勻、類似晶體的點陣結構。在這種排列中，每個原子與其他原子之間的距離足夠遠，以至於每個原子都能有效地被視爲單個、孤立且完全相同的原子。與單個或幾個原子相比，一萬個這樣的原子能產生更容易檢測到的信號。
研究小組推斷，利用這種排列方式，他們可以射入一束弱光穿過這些原子，並觀察單個光子是像波還是像粒子一樣從兩個相鄰的原子上散射開來。這類似於在原始雙縫實驗中，光穿過兩條狹縫的情形。
“我們所做的可以看作是雙縫實驗的一個新變體，”Ketterle 說，“這些單個原子就像是你能建造的最小的狹縫。”
波粒二象性的關鍵開關
在單光子水平上開展實驗，需要重複多次，並使用超靈敏探測器來記錄從原子散射的光的圖案。通過檢測到的光的強度，研究人員可以直接推斷出光是表現爲粒子還是波動。
他們特別關注一半光子表現爲波動、另一半表現爲粒子的情況。通過調整原子的“模糊度”（即原子位置的確定性），從而改變光子表現爲波與粒子的概率，並實現了這一目標。在實驗中，每個處於激光光束中的 10,000 個原子，都可以通過調整激光的強度來收緊或放鬆對原子的束縛。原子束縛得越松，就越“模糊”，或者說在空間上越“彌散”。越模糊的原子更容易被擾動，從而記錄下光子的路徑。因此，通過調高原子的模糊度，研究人員可以增加光子表現出粒子行爲的概率。他們的觀察結果與理論描述完全一致。
在實驗中，該團隊測試了愛因斯坦關於如何探測光子路徑的想法。從概念上講，如果每個狹縫都刻在一張用彈簧懸掛在空氣中的極薄紙上，那麼穿過其中一個狹縫的光子應該會使相應的彈簧產生一定程度的振動，這種振動將是光子粒子性的信號。在以往的雙縫實驗實現中，物理學家們引入了類似彈簧的元素，而彈簧在描述光子的波粒二象性方面發揮了重要作用。
然而，Ketterle 及其同事們能夠在沒有“彈簧”的情況下完成實驗。團隊的原子雲最初是通過激光光束固定的，這類似於愛因斯坦設想的由彈簧懸掛的狹縫。研究人員推測，如果他們去掉“彈簧”，並觀察到完全相同的現象，那麼這就表明彈簧對光子的波粒二象性沒有任何影響。
事實證明，他們的發現正是如此。在多次實驗運行中，他們關閉了固定原子的類似彈簧的激光，然後在百萬分之一秒內迅速進行測量，這比原子變得更模糊並最終因重力而落下的時間要短得多。在這極短的時間內，原子實際上是在自由空間中漂浮的。在這種無彈簧的情境下，團隊觀察到了相同的現象：光子的波性和粒子性不能同時被觀測到。
“在許多描述中，彈簧都起着重要作用。但我們表明，彈簧在這裏並不重要；重要的是原子的模糊度，”Fedoseev 說，“因此，必須使用更深刻的描述方法，這種方法利用光子和原子之間的量子關聯。”
爲紀念量子力學誕生（1925 年） 100 週年，聯合國宣佈 2025 年是“國際量子科學技術年”，而玻爾和愛因斯坦關於雙縫實驗的討論發生在 1927 年。“在慶祝量子物理學的同一年，我們能夠幫助澄清這一歷史爭議，這真是太美妙的巧合了，”共同作者 Lee 表示。
原文鏈接：
https://news.mit.edu/2025/famous-double-slit-experiment-holds-when-stripped-to-quantum-essentials-0728
