冲出狭缝，看见量子世界的广阔
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光到底是波还是粒子？关于这个问题，近百年来未有定论。
前段时间，中国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，印证光子波动性和粒子性的互补性原理，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“互补性原理”，是指微观粒子（比如光子、电子）的波动性和粒子性不可兼得——要么看到它的干涉条纹（波动性），要么知道它的运动路径（粒子性），想同时观测到两者是不可能的。
这个观点遭到爱因斯坦的反对，他设计了一个“思想实验”：如果把狭缝做成可移动的，当单个光子穿过时，一定会给狭缝一个微小的“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（波动性）也应该能保留下来。
近百年来，这个实验一直没有成功。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极难测出。就像用乒乓球撞地球，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效果。
不过，团队还得解决两个关键问题：一是怎么“抓住”并固定原子？这就需要“光镊技术”，就像用一束高度聚焦的激光形成“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，将原子降温到接近绝对零度（零下273.15摄氏度），这时原子的运动变得极其缓慢。
这样一来，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（代表波动性），同时通过测量原子的反冲判断光子的路径（代表粒子性）。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，知道光子是从哪个方向过来的，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，无法判断光子路径，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性原理：光子的波动性和粒子性就像跷跷板的两端，一端翘起，另一端就必然下沉，不可能同时达到最高点。爱因斯坦当年的设想，在量子极限下确实无法实现。
这一实验用确凿的证据证明了量子力学的完备性，为量子物理的基础研究写下重要一笔。科学的进步，是在不断质疑和验证中实现的。一次次实验，才是深入探索量子世界的“捷径”。
（作者为中国科学技术大学科技传播系副研究员，本报记者徐靖整理）
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