摘要：麻省理工学院的研究团队刚刚完成了量子物理学史上最精密的双缝干涉实验，这一突破性成果为爱因斯坦与玻尔之间长达一个世纪的量子力学辩论画下了句号。通过使用单个原子作为狭缝，科学家们以前所未有的清晰度验证了量子力学的核心预言：观察行为本身会改变物理现实。

信息来源：https://physicsworld.com/a/famous-double-slit-experiment-gets-its-cleanest-test-yet/

麻省理工学院的研究团队刚刚完成了量子物理学史上最精密的双缝干涉实验，这一突破性成果为爱因斯坦与玻尔之间长达一个世纪的量子力学辩论画下了句号。通过使用单个原子作为狭缝，科学家们以前所未有的清晰度验证了量子力学的核心预言：观察行为本身会改变物理现实。

沃尔夫冈·凯特勒领导的研究团队将超过一万个铷原子冷却至接近绝对零度，并用激光晶格将它们精确定位，每个原子都成为独立的光散射中心。当微弱的光束穿过这个原子阵列时，单个光子会从原子上散射，创造出迄今最纯净的双缝实验条件。实验结果完美符合量子理论的预测：当光子路径未被探测时，屏幕上出现明暗交替的干涉条纹；而当原子的反冲信息泄露光子路径时，干涉条纹消失，取而代之的是两个分离的亮斑。

实验示意图：两个悬浮在真空室中的单原子被激光束照射，并充当两个狭缝。散射光的干涉被一个高灵敏度的相机（屏幕）记录下来。非相干光作为背景出现，暗示光子充当了仅穿过一个狭缝的粒子。（图片提供：Wolfgang Ketterle、Vitaly Fedoseev、Hanzhen Lin、Yu-Kun Lu、Yoo Kyung Lee 和 Jiahao Lyu）

这项发表在《物理评论快报》上的研究不仅是技术上的胜利，更是对量子力学基本原理的最严格验证。实验的独特之处在于，研究团队在原子陷阱被移除、原子自由漂浮的状态下进行测量，这比爱因斯坦设想的弹簧狭缝实验更进一步，彻底排除了实验装置本身对观测结果的干扰。

百年量子争论的终结

双缝干涉实验自托马斯·杨在19世纪首次演示以来，一直是物理学中最深刻也最令人困惑的现象之一。实验装置看似简单——光线通过两个平行狭缝照射到屏幕上，但其结果却颠覆了人们对现实本质的理解。当没有任何探测器监视光子通过哪个狭缝时，屏幕上会出现波浪状的干涉图案，仿佛光以波的形式同时通过了两个狭缝。然而，一旦放置探测器试图确定光子的具体路径，干涉条纹立即消失，只剩下两个对应狭缝位置的亮点，光表现得完全像粒子。

这一现象引发了20世纪物理学史上最著名的辩论。阿尔伯特·爱因斯坦提出了一个巧妙的思想实验：如果将狭缝安装在精密的弹簧上，通过测量光子撞击时的反冲力就能确定其路径，而无需在光子路径上放置任何探测器。他相信这样既能获得路径信息，又能保持干涉条纹，从而证明量子力学的不完备性。

尼尔斯·玻尔的反驳更加深刻。他指出，如果弹簧足够精密以探测光子的微小反冲，那么根据海森堡不确定性原理，狭缝位置的不确定性就会增大，进而破坏干涉图案的形成条件。玻尔提出的互补原理认为，量子对象可以表现出波动性或粒子性，但绝不能同时展现两种性质。观测行为不是简单地揭示预先存在的性质，而是从根本上参与了物理现实的构建。

技术极限的突破

麻省理工学院团队面临的最大挑战是实验的极低信号强度。由于光束必须足够微弱以确保每次只有一个光子与原子相互作用，每次测量收集到的数据极其有限。博士生林汉真表示："这是最困难的部分。我们不得不重复实验数千次才能收集到足够的数据。"这种苛刻的实验条件要求研究团队开发出极其精密的控制技术和数据采集系统。

实验的核心在于精确控制原子提供的路径信息量。研究团队通过调节激光陷阱的强度来控制原子位置的"模糊度"。当原子被紧密束缚时，它们的位置确定，根据不确定性原理，无法提供太多关于光子路径的信息，此时干涉条纹清晰可见。相反，当原子束缚较松时，位置不确定性增大，原子能够移动并携带光子相互作用的痕迹，这些微弱的"哪路径"信息足以使干涉条纹崩溃。

这种精密控制的实现代表了原子物理学和激光技术的重大进步。研究团队能够在单原子水平上操控量子系统，并以前所未有的精度测量量子效应，这在爱因斯坦和玻尔的时代是完全无法想象的。

量子技术的新里程碑

英国伯明翰大学的物理学家托马斯·赫德评价这项研究为"一项美妙的实验，证明了我们的实验控制能力已经取得了多大的进步"。确实，这一成果不仅在基础科学层面具有重要意义，也为量子技术的发展开辟了新的可能性。

实验中展现的单原子操控技术可能在量子计算、量子通信和精密测量等领域找到应用。能够精确控制单个原子的量子态并测量其与光子的相互作用，为构建更复杂的量子系统提供了基础。研究团队已经开始探索下一步实验：观察当晶格中每个位置有两个原子而不是一个时会发生什么。林汉真表示："每个位置原子之间的相互作用可能会给我们带来有趣的结果。"

这项研究还为量子力学的教学和理解提供了新的范例。双缝实验经常被誉为"量子力学的心脏"，而这一最新版本的实验以无可辩驳的清晰度展示了量子世界的奇异性质。它提醒我们，尽管量子力学在技术应用上取得了巨大成功，但其根本原理仍然挑战着我们对现实本质的直觉理解。

在量子科学技术国际年的背景下，这一突破性实验不仅是对过去一个世纪量子理论发展的致敬，也为未来量子技术的发展奠定了更坚实的基础。正如这一实验所证明的，观察行为确实能够改变物理现实——这一看似违反常识的量子效应，正是推动下一代技术革命的核心力量。

来源：人工智能学家