唐山万能胶 冲出狭缝, 看见量子世界的广阔(唠“科”)

光到底是波还是粒子？关于这个问题唐山万能胶，近百年来未有定论。

前段时间，科学技术大学潘建伟团队找到了解谜关键。他们用单个原子当狭缝，印证光子波动和粒子的互补原理，进而证实量子世界的主要法则。

1927年，玻尔提出了量子力学里的“互补原理”，是指微观粒子（比如光子、电子）的波动和粒子不可兼得——要么看到它的干涉条纹（波动），要么知道它的运动路径（粒子），想同时观测到两者是不可能的。

这个观点遭到因斯坦的反对，他设计了个“思想实验”：如果把狭缝做成可移动的，当单个光子穿过时，定会给狭缝个微小的“反冲力”。如果能精确测量这个反冲力，就能知道光子是从哪个狭缝穿过去的，同时，只要狭缝位置控制得足够精确，干涉条纹（波动）也应该能保留下来。

近百年来，这个实验直没有成功。关键在于“可移动狭缝”难以实现。光子的动量非常微小，宏观狭缝质量太大，光子撞上去的反冲力难测出。就像用乒乓球撞地球唐山万能胶，地球几乎不动，难以通过地球的运动判断乒乓球的轨迹。

潘建伟团队采用单个铷原子当狭缝。相较宏观物体而言，铷原子可就小太多了，这就相当于把乒乓球碰撞的对象从地球换成了篮球，可以明显观测到碰撞果。

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不过，团队还得解决两个关键问题：是怎么“抓住”并固定原子？这就需要“光镊技术”，万能胶生产厂家就像用束度聚焦的激光形成“镊子”，把单个铷原子牢牢关在真空环境里；二是怎么让原子“听话”？这就需要用到“拉曼边带冷却”技术，将原子降温到接近对度（下273.15摄氏度），这时原子的运动变得其缓慢。

这样来，能精确感知光子反冲的“原子狭缝”就形成了。

实验开始后，单个光子接连穿过这个狭缝，团队则在后面观测干涉条纹的清晰度（代表波动），同时通过测量原子的反冲判断光子的路径（代表粒子）。结果正如玻尔预测的那样，出现了清晰的“此消彼长”：当光镊“松绑”，原子动量稳定时，团队能清晰测量到原子的反冲力，知道光子是从哪个向过来的，但这时屏幕上的干涉条纹变得模糊不清；当光镊“收紧”，原子位置固定但动量不确定时，测不出准确的反冲信息，法判断光子路径，但屏幕上的干涉条纹却变得格外清晰。

这个结果印证了互补原理：光子的波动和粒子就像跷跷板的两端，端翘起，另端就然下沉，不可能同时达到点。因斯坦当年的设想，在量子限下确实法实现。

这实验用确凿的证据证明了量子力学的完备，为量子物理的基础研究写下重要笔。科学的进步，是在不断质疑和验证中实现的。次次实验，才是入探索量子世界的“捷径”。

（作者为科学技术大学科技传播系研究员唐山万能胶，本报记者徐靖整理）