看清“光的真面目”：MIT新實驗證明玻爾對了，愛因斯坦錯了！

光，可以說是我們生活中最“熟悉的陌生人”——它是如此熟悉，從出生時見到這個世界的第一面起，我們就依靠它看見周圍的一切；而它又如此陌生，就像個有著“雙重人格”的潛伏者，科學家們用上百年的努力試圖揭露它的身份，卻只是更加證明了，它的“性格”就是這樣的撲朔迷離。

現代的量子力學告訴我們，光既有粒子的性質，又有波的性質，但是這兩種性質卻不能同時被探測到。最近，麻省理工學院（MIT）的科學家們完成了一項新的實驗，為光的這一特點提供了原子精度的證明。

恰逢量子力學誕生100周年之際，這項研究更是具有了非凡的紀念價值。要真正理解這項新實驗的非凡之處，讓我們先回到故事的起點，踏上一場跨越世紀的偵探之旅，去追尋我們身邊這位“熟悉的陌生人”的真實身份吧。

經典時代的先驅者

在經典力學的時代，人們就一直在對“光是什么”這個問題孜孜不倦地探索。

17世紀，牛頓發現白色的太陽光通過三棱鏡后，被分成了七種不同的顏色——于是他推斷，光是由各種不同顏色粒子組成的粒子束，而當不同顏色的光混在一起，就好像顏料在調色板上混合一樣，可以組成新的顏色。根據這一推斷，牛頓以微粒的運動為基礎，發展了一套光學體系，這就是光的微粒說。

牛頓進行太陽光的色散實驗 來源：新浪

但是，牛頓的這套理論并不能完全使人信服，因為它無法解釋關于光的一切現象。而牛頓最著名的反對者，就是提出了光的波動說的惠更斯。惠更斯認為，光應該是一種介質中的波，根據這個推斷，他不僅成功地解釋了微粒說無法解釋的“牛頓環”現象，還正確地導出了光的折射和反射定律。

牛頓環，現在我們已經很明確，這樣的條紋來自于光的薄膜干涉現象，而這典型地體現了光的波動性  來源：維基百科

這兩種說法看起來各有各的道理，各自的支持者誰也不服誰。直到1801年，托馬斯·楊的光的雙縫干涉實驗似乎為這場辯論畫下了句號。他讓一束光通過兩條狹縫，屏幕上得出了一系列明暗交錯的干涉條紋。

可以想象這和水波的行為極其相似：如果在水面上兩個不同的位置同時有石子落下產生兩道漣漪，它們擴散的時候互相重疊，就會形成高與平相間的條紋。這是因為，高的地方，兩道波的波峰處剛好重疊，于是總的波變大了，而平的地方，一道波峰與一道波谷重疊，剛好波動就被抵消了。

水面上波的干涉 來源：youtube

波的干涉原理示意圖。左圖：當兩個波完全重疊，疊加出更強的波，對應干涉條紋中的亮條紋；右圖：當兩個波發生交錯，波的強度被抵消了，對應干涉條紋中的暗條紋。 來源：維基百科

所以，這干涉條紋就代表著波動說的勝利——如果光是粒子，屏幕上應該只有兩道亮線才對！

光的雙縫干涉實驗示意圖 來源：維基百科

來自綠色激光器的光穿過兩個相距不到一毫米寬的狹縫產生的干涉條紋 來源：維基百科

于是，微粒說就這樣淡出了歷史舞臺，而之后的100年間，電磁學蓬勃發展，麥克斯韋整合了電磁學理論，寫出了描述電磁波的統一方程組——并預言了光就是其中的一部分。此后，赫茲又用實驗驗證了麥克斯韋的理論。光的波動說，一時風頭無兩。

量子時代的反轉劇情

可是，到了量子時代，人們卻發現，波動說的成功，看似是一個結局，其實卻只是一個開始。

問題出在一種叫做“光電效應”的現象上。簡單來說，就是用光照射金屬類的材料，有可能會打出材料中的電子。但是，這種現象有一個奇特的條件：只有當光的頻率高于某個門檻值時，才能打出電子，低于此門檻則無論光多強都無效。此外，光的強度只決定飛出電子的數量，而光的頻率卻決定了電子飛出的初始速度。

如果把光當成一種波，這一切都顯得不對勁：光就好比一個不停擊打小球的棒球手，光的強度代表著它出多少力氣，而光的頻率代表著它每秒鐘內揮棒的次數有多少次。這樣一來，難道不應該是它出的力氣大小（光強）決定它能否打出小球，而它揮棒的次數（頻率）決定了它共打出多少個球嗎？

光電效應示意圖。其中“e”正是代表電子的符號。 來源：Erdal Taslidere

這個奇怪的問題，在1905年被初出茅廬的愛因斯坦完美地解決了。愛因斯坦使用了當時同樣新潮的量子理論，有創造性地提出，光發射出去的能量并不是連續的，而是像豌豆射手一樣，一粒一粒地出去，射出的每一粒“子彈”被叫做一個“光子”。

光子的能量大小取決于它的頻率——頻率越大，能量就越大，這就是為什么，頻率低到一定程度，光就打不出電子了，而頻率越大的光，打出去的電子飛得還越快。而且，光的強度決定了這一束光里究竟有多少個光子——子彈的總數量恰好對應著被打出去的小球的數量，這也與實驗結果相吻合。

人們不得不接受這個惱人的事實：沉睡多年的光的微粒說，居然還能復活。光既能是一種粒子，又能是一種波！

那么，之前的那個雙縫干涉實驗，對于愛因斯坦的理論還適用嗎？既然光能分成一個個光子，那么如果我用一束很弱的光去通過狹縫，弱到一次只能經過一個光子，它總不能自己跟自己干涉吧？

1909年，杰弗里·泰勒爵士就做了一個這樣的實驗。他將實驗所用的光源調得非常暗，暗到一次只有一個光子被發射出來。令人震驚的現象發生了，雖然光子是一個一個發射的，但是經過了一定時間的積累之后，他的感光底片上還是出現了明暗相間的干涉條紋。

這真是太奇怪了，難道單個光子“知道”有兩條縫的存在，并與“自己”發生了干涉？它難道是同時穿過了兩條縫嗎？還是說，每一個光子都穿過了其中的一條？我們有可能得到這個答案嗎？

愛因斯坦與玻爾的世紀之辯

為了這個問題，20世紀物理學史上兩個最偉大的頭腦——愛因斯坦與玻爾，展開了著名的辯論。

愛因斯坦與玻爾 來源：歷史資料

愛因斯坦無法接受這樣“幽靈般”的現實，他堅信，一定有某種辦法，可以探測到單個光子究竟是走了左邊還是右邊的路。他做了這樣一個“思想實驗”——假設狹縫上有一個微小的彈簧，如果光子穿過，彈簧就會被推動，這樣，我們就能知道光子到底走的是哪條路徑了。

但玻爾認為，愛因斯坦的想法并不合理。假設真的有一個這樣的彈簧被光子推動，那么光子和狹縫勢必會受到它的反沖力——這種測量方式，對于一個宏觀的球來說影響可能微乎其微，但是對于微小的光子，就能完全破壞它原本的運動狀態，那么精妙的干涉所形成的條紋，也就不復存在了。

也就是說，如果我們“看見”光作為粒子通過了其中一條狹縫，我們就看不見光作為波形成的干涉條紋，反之亦然。

這就是玻爾提出的互補原理的精髓：光既是粒子，也是波，它們卻好像一個硬幣的兩面，不能同時被體現，但只有這二者的結合，才能完整地描述光的屬性。

一張體現了互補原理的藝術作品：當你在畫面中看見一個少女，你就無法將它識別成一個老婦，反之亦然。 來源：維基百科

回到最新的實驗

在此之后的幾十年里，物理學家們將愛因斯坦的思想實驗付諸現實，試圖在獲得光子的路徑信息的同時觀察到干涉條紋——而這些實驗最終都指向了玻爾的正確：一旦試圖探測光子的路徑，光的粒子性增加，光的波動性就隨之減弱。那么，MIT的這次實驗，又有著哪些創新呢？

來源：MIT

一個重要的變革，是拋棄了實際的“狹縫”裝置，而直接用激光囚禁一個個原子，用原子本身充當最小的狹縫。然后，他們用極其微弱的光束照射這些原子，弱到每次最多只有一個光子與原子發生作用。

通過調整用于囚禁原子的激光，研究團隊可以精確地調整原子的狀態，改變其位置的“模糊性”。當一個原子被激光牢牢囚禁時，它的位置就非常確定；而當激光的束縛稍微放松時，就好像裝上了“彈簧”，它的位置就會變得模糊。

實驗結果完美地印證了玻爾的預測：原子的位置越模糊，它就越容易記錄下與之作用的光子的路徑信息，這時光的粒子性就越強，而波動干涉條紋的清晰度就越低。反之，當原子的位置非常確定時，就無法得知光子的路徑，光的波動性就表現得淋漓盡致，干涉條紋也最為清晰。

更關鍵的一步是，最后，研究團隊甚至擺脫了“彈簧”的存在。他們在某一瞬間關掉囚禁原子的激光，也就是固定原子的“彈簧”。在原子因重力下落前的百萬分之一秒內，他們迅速完成測量，并得出了相同的結果：光的粒子性和波動性依然無法被同時觀測到。

這從最本質的角度驗證了互補原理的正確性：在那場辯論中，問題的關鍵并不在于是否有一個像彈簧一樣的物理裝置帶來反沖力的干擾，而在于我們是否知道光子的路徑這一信息本身。而這一次，依舊是玻爾勝利了；量子力學的這塊基石，在它建立的100年后，依舊沒有被撼動。

這場跨越世紀的偵探之旅，在這里就暫告段落——回顧人類認識光的歷程，微粒說與波動說雖然都曾以為自己打敗了對方，最后卻以這樣一種方式達成了“和解”。科學研究就是這樣，正確的結論不一定永遠正確，錯誤的結論也不一定永遠錯誤。我們看到的每個結局，其實都有可能就是下一個開始呢！

作者：張一凡

審核：魏紅祥 中國科學院物理研究所研究員

本文來源科普新媒體平臺“蝌蚪五線譜”，已經授權發布