98年之后,爱因斯坦还是在这场关于现实本质的“世纪豪赌”中,输给了他的老对手尼尔斯·玻尔。
是的,你没看错。这场始于1927年,堪称物理学史上最星光熠熠的巅峰对决,终于被麻省理工学院(MIT)的科学家们用一种匪夷所思的方式,画上了句号。他们没有用复杂的公式,而是直接“搭建”了一个微观宇宙,让我们亲眼见证了爱因斯坦的“上帝”,到底掷不掷骰子!这项研究发表在7月22日《物理评论快报》上。
一切的开端:一个让所有物理学家都“精神分裂”的实验
故事要从那个让牛顿掀棺材板的“双缝实验”说起。
你拿着一把能发射微小颜料球的枪,对着一堵有两条缝的墙狂扫,墙后面会留下什么?没错,两条杠。这是“粒子”该有的样子,一颗是一颗,规规矩矩。
但如果你把枪换成水波发射器,结果就大不相同了。水波会同时穿过两条缝,然后相互干涉,在后面的墙上形成明暗相间的条纹图案。这是“波”的独有标志。
最诡异的事情来了。当科学家把“子弹”换成单个光子时,它本应像粒子一样,一次只穿过一条缝。可结果,墙上出现的竟然是波的干涉条纹!仿佛那个小小的光子,拥有了分身术,同时穿过了两条缝,然后自己和自己玩起了干涉游戏。
光,到底是彬彬有礼、遵守秩序的“粒子先生”,还是随性浪漫、无处不在的“波小姐”?
更让人崩溃的是,如果你在缝上装个“摄像头”,想看看光子到底走了哪条路,干涉条纹就瞬间消失了,光又变回了规矩的粒子,只留下两条杠。
这种“你一看,我就变”的特性,就是“波粒二象性”。它暗示了一个惊人的事实:在量子世界里,观测行为本身,就是创造现实的一部分!
世纪之争:爱因斯坦 VS 玻尔
这个“薛定谔的光”,让爱因斯坦大为光火。他坚信宇宙是客观的、确定的,并说出了那句名言:“我无论如何也不能相信,上帝会掷骰子!” 他认为,一定有办法能绕过这个限制,既能看清光子的路径(粒子性),又能保留它的干涉条纹(波动性)。
而另一位量子巨头玻尔则针锋相对,提出了互补原理”:波和粒子是光的一体两面,就像硬币的正反面,你一次只能看到一面。任何你想看清粒子路径的尝试,都会不可避免地“惊扰”它,从而抹掉它的波动性。
这不只是一场物理辩论,而是两种世界观的终极对决:一边是眼见为实的经典宇宙,另一边是观测即创造的量子江湖。
这场争论持续了近百年,无数实验都验证了玻尔的正确,爱因斯坦的失败,但始终没有一个能像这次MIT的实验一样,做得如此“干净”、如此“完美”。
终极审判:MIT的“原子双缝”
由诺贝尔奖得主沃尔夫冈·克特勒(Wolfgang Ketterle)领导的MIT团队,决定把这个思想实验做到极致。他们放弃了物理缝隙,直接动用了宇宙最基本的积木——原子。
怎么做的?
1. 创造“完美狭缝”:他们将超过10000个原子冷却到接近绝对零度,并用激光织成一张“光晶格”,将每个原子精准地“囚禁”在各自的位置上,形成一种叫“莫特绝缘体”的状态。每一个原子,都成了一个完美的、独立的、最小的“狭缝”。
2. 发射“幽灵子弹”:他们用一束极弱的光照射这些原子,弱到可以保证“每个原子最多只散射一个光子”。
现在,关键问题来了:当一个光子飞向这10000个原子组成的“超级双缝”时,会发生什么?
根据他们的研究论文,答案取决于光子和原子之间的一次奇妙“互动”。
如果光子凌波微步,悄然飞过,没有踩到任何原子(即没有改变原子的运动状态),那我们就无从得知它究竟被哪个原子散射了。这时,所有可能性都叠加起来,光的“波动性”尽显,干涉效应出现。这在物理上被称为“相干散射”。
如果光子“踩”了一下原子,使其运动状态发生了改变(留下了“脚印”),那么我们就获得了“哪条路径信息”(Which-way Information)。这个信息本身,就足以让光的波动性瞬间“坍缩”。所有原子各自为战,干涉效应消失。这被称为“非相干散射”。
也就是说,任何窥探粒子行踪的企图,都是对它波动属性的“终极背叛”。
实验结果如玻尔所预言,完美地呈现了这种此消彼长的关系。当研究团队对原子的束缚力很强时,光子很难留下“脚印”,干涉效应就强。而当他们让原子波包“模糊”和扩展开时,光子留下“脚印”的可能性就大大增加,干涉效应随之减弱,直至消失。
最终的判决
所以MIT的这项实验,以一种前所未有的精度和清晰度,为这场世纪之争画上了句号:玻尔是对的,爱因斯坦仍然输了!
你永远无法同时拥有100%的粒子信息和100%的波信息。你对其中一面了解得越清楚,另一面就必然变得越模糊。现实,并非独立于我们观察之外的客观存在。
所以我们看到的世界,并不是独立于我们而存在的风景,而是我们与它互动后共同画就的一幅画。
下次当你仰望星空,感叹宇宙的浩瀚时,请记住,那遥远星光抵达你眼中的一刻,不仅仅是你看见了它,也是你的“看见”,最终定义了它最后的模样。
爱因斯坦或许输掉了这场辩论,但他与玻尔共同开启的这扇量子大门,至今仍在引领我们探索宇宙最深邃的奥秘。
参考文献:
Fedoseev, V., Lin, H., Lu, Y.-K., Lee, Y. K., Lyu, J., & Ketterle, W. (2025). Coherent and Incoherent Light Scattering by Single-Atom Wave Packets. Physical Review Letters, 135, 043601. https://doi.org/10.1103/zwhd-1k2t
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