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光到底是波還是粒子？關于這個問題，近百年來未有定論。
本期推文帶你跟隨中國科學技術大學潘建偉團隊，找到解謎關鍵，證實量子世界的主要法則。
沖出狹縫，看見量子世界的廣闊
席正
中國科學技術大學科技傳播系副研究員
▲《人民日報》 2026年01月31日 第 06 版
光到底是波還是粒子？關于這個問題，近百年來未有定論。
前段時間，中國科學技術大學潘建偉團隊找到了解謎關鍵。他們用單個原子當狹縫，印證光子波動性和粒子性的互補性原理，進而證實量子世界的主要法則。
1927年，玻爾提出了量子力學里的“互補性原理”，是指微觀粒子（比如光子、電子）的波動性和粒子性不可兼得——要么看到它的干涉條紋（波動性），要么知道它的運動路徑（粒子性），想同時觀測到兩者是不可能的。
這個觀點遭到愛因斯坦的反對，他設計了一個“思想實驗”：如果把狹縫做成可移動的，當單個光子穿過時，一定會給狹縫一個微小的“反沖力”。如果能精確測量這個反沖力，就能知道光子是從哪個狹縫穿過去的，同時，只要狹縫位置控制得足夠精確，干涉條紋（波動性）也應該能保留下來。
近百年來，這個實驗一直沒有成功。關鍵在于“可移動狹縫”難以實現。光子的動量非常微小，宏觀狹縫質量太大，光子撞上去的反沖力極難測出。就像用乒乓球撞地球，地球幾乎不動，難以通過地球的運動判斷乒乓球的軌跡。
潘建偉團隊采用單個銣原子當狹縫。相較宏觀物體而言，銣原子可就小太多了，這就相當于把乒乓球碰撞的對象從地球換成了籃球，可以明顯觀測到碰撞效果。
不過，團隊還得解決兩個關鍵問題：一是怎么“抓住”并固定原子？這就需要“光鑷技術”，就像用一束高度聚焦的激光形成“鑷子”，把單個銣原子牢牢關在真空環境里；二是怎么讓原子“聽話”？這就需要用到“拉曼邊帶冷卻”技術，將原子降溫到接近絕對零度（零下273.15攝氏度），這時原子的運動變得極其緩慢。
這樣一來，能精確感知光子反沖的“原子狹縫”就形成了。
實驗開始后，單個光子接連穿過這個狹縫，團隊則在后面觀測干涉條紋的清晰度（代表波動性），同時通過測量原子的反沖判斷光子的路徑（代表粒子性）。結果正如玻爾預測的那樣，出現了清晰的“此消彼長”：當光鑷“松綁”，原子動量穩定時，團隊能清晰測量到原子的反沖力，知道光子是從哪個方向過來的，但這時屏幕上的干涉條紋變得模糊不清；當光鑷“收緊”，原子位置固定但動量不確定時，測不出準確的反沖信息，無法判斷光子路徑，但屏幕上的干涉條紋卻變得格外清晰。
這個結果印證了互補性原理：光子的波動性和粒子性就像蹺蹺板的兩端，一端翹起，另一端就必然下沉，不可能同時達到最高點。愛因斯坦當年的設想，在量子極限下確實無法實現。
這一實驗用確鑿的證據證明了量子力學的完備性，為量子物理的基礎研究寫下重要一筆。科學的進步，是在不斷質疑和驗證中實現的。一次次實驗，才是深入探索量子世界的“捷徑”。
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來源：《人民日報》
封面圖片由AI生成
編輯：朱育慧
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