单原子作“可移动狭缝”直面百年之问 我国实验再证光子互补性与量子规则

光的本质是什么?这个看似简单的问题,在科学史上曾引发近一个世纪的争论。1927年,丹麦物理学家玻尔提出互补性原理,认为光子、电子等微观粒子具有波粒二象性,但波动性与粒子性无法同时被完整呈现。此观点遭到爱因斯坦的强烈质疑。爱因斯坦据此设计了一个著名的思想实验:如果把狭缝做成可移动结构,当光子穿过时会对狭缝产生微弱反冲。若能精确测量反冲力,理论上就既可确定光子的通过路径,又能保留干涉条纹。这个设想在理论上严密,但在实验上长期难以落地。问题的关键在于“可移动狭缝”几乎无法实现:光子的动量极其微小,而宏观狭缝质量太大,光子引发的反冲几乎测不到。形象地说,就像用乒乓球撞击地球,地球的位移微乎其微,难以凭此反推出乒乓球的轨迹。近百年来,涉及的尝试始终受制于这一瓶颈。潘建伟团队的突破在于换了一条路径:他们用单个铷原子替代宏观狭缝,相当于把碰撞对象从“地球”换成“篮球”,使反冲效应进入可观测范围。但这一方案也带来两项关键技术挑战。第一,如何稳定固定单个原子。团队采用光镊技术,用高度聚焦的激光束形成“镊子”,将单个铷原子束缚在真空环境中。第二,如何让原子保持足够稳定的运动状态。研究人员使用拉曼边带冷却技术,将原子温度降至接近绝对零度,显著降低其运动幅度,从而能够更精确地感知光子的反冲。实验结果直观呈现了互补性原理的内涵:当光镊处于相对“松”的状态、原子动量更可控时,团队能清晰测到原子反冲,进而判断光子的入射方向,但屏幕上的干涉条纹随之变得不清晰;当光镊“收紧”、原子位置更固定但动量不确定时,反冲信息难以获取,光子路径判断失效,而干涉条纹却明显变得清晰。两者呈现“此消彼长”的关系,符合玻尔关于互补性的预言,如同跷跷板两端不可能同时处于最高点。该实验表明,爱因斯坦当年的设想在量子极限下确实难以实现:光子的波动性与粒子性并非认识上的取舍,而是由自然规律所决定。相关结果以实验方式深入支撑了量子力学的理论框架,为微观世界基础问题研究提供了新的证据。

从哥本哈根解释的理论争辩,到“原子狭缝”方案带来的实验检验,人类对量子世界的理解正从更多依赖推理走向更可操作的验证。这项研究不仅加深了对互补性原理的认识,也反映了中国科研团队在基础物理问题上的创新探索。正如潘建伟院士所言:“真正的科学突破往往源于对基本问题的执着追问。”随着时间推移,这类原创性基础研究的价值有望持续显现。