仅仅用一颗被激光“捏”住的爱因案原子,中国科学家就给这场持续了98年的斯坦物理学“诸神之战”,敲下了最终的真的终结判决之锤。
这一次,错刚彻底爱因斯坦输了,刚中还必须输得心服口服。物理
2025年12月2日,学百物理学顶刊《物理评论快报》(PRL)刚刚刊登了一项足以载入史册的年悬成果。来自中国科学技术大学的爱因案潘建伟、陆朝阳团队,斯坦在实验室内完美复现了爱因斯坦当年用来刁难量子力学的真的终结“终极思想实验”。
这不是错刚彻底一次简单的测量,这是刚中人类第一次在原子层面,亲手触摸到了量子世界的物理底牌。
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让我们把时钟拨回1927年。布鲁塞尔,第五届索尔维会议。
这是一张汇聚了人类最强大脑的照片:爱因斯坦、玻尔、居里夫人、普朗克……而在照片的背后,是一场关于宇宙本质的激烈争吵。
当时的爱因斯坦,对刚刚诞生的量子力学感到深深的不安。他那句名言“上帝不掷骰子”,就是对量子世界“不确定性”和“概率”的愤怒抗议。
为了证明量子力学是不完备的,爱因斯坦给量子力学的掌门人——尼尔斯·玻尔,设下了一个看似无解的局。
这就是著名的“反冲双缝实验”(Recoiling-Slit Gedankenexperiment)。
我们都知道双缝干涉:光子穿过两条缝,会在屏幕上留下波一样的干涉条纹。量子力学说,你不能同时知道光子穿过了哪条缝(粒子性)又看到干涉条纹(波动性)。这就是著名的“互补原理”——鱼和熊掌不可兼得。
但爱因斯坦狡黠地笑了:如果我让其中一条缝动起来呢?
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爱因斯坦的脑洞是这样的:
如果不把狭缝固定死,而是让它悬挂起来。当光子穿过狭缝偏折时,根据动量守恒,狭缝会受到一个极其微小的反冲力。
- 如果我们测出了这个反冲,我们就知道光子走了哪条路(抓住了粒子性);
- 与此同时,屏幕上的干涉条纹依然存在(保留了波动性)。
如果你能做到这一点,玻尔的“互补原理”就崩塌了,量子力学的大厦将摇摇欲坠。
当时,玻尔经过一夜的苦思冥想,用海森堡的测不准原理勉强挡住了爱因斯坦的进攻。他反驳说:如果你要精确测量狭缝的反冲,狭缝本身的位置就会变得模糊,这足以抹平干涉条纹。
但在过去的98年里,这仅仅是一场停留在纸面上的“口水战”。
因为爱因斯坦的要求太苛刻了:你需要一个足够轻的狭缝,轻到单个光子撞它一下都能产生可测量的反冲;同时它还得保持极度纯净的量子状态。
用宏观的镜子或金属片?根本不可能。在光子面前,它们重得像一座山,那点反冲就像蚊子撞上了大卡车。
既然宏观物体不行,那就用原子!
中科大潘建伟团队想到了一个绝妙的主意:不就是需要一个能挡光、又足够轻的“狭缝”吗?我们用单个铷原子来充当这个狭缝。
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这操作简直是“在针尖上绣花”:
- 光镊技术:他们用聚焦的激光束形成一个光镊,像镊子一样死死夹住一个铷原子。
- 绝对冷静:利用三维拉曼边带冷却技术,将这个原子冷却到了“运动基态”。此刻,原子的躁动被安抚到了极限,它的动量不确定性变得极小,小到和单个光子的动量处于同一个量级。
见证奇迹的时刻到了。
在这个精密的舞台上,原子即是“狭缝”。光子撞击原子,发生散射。
- 如果原子被光镊抓得很紧(势阱深),它的位置很死,但动量很乱(测不准原理)。这时候,光子撞它一下,动量变化淹没在噪声里,我们不知道光子走了哪条路。
- 结果:干涉条纹清晰可见!
- 如果把光镊稍微放松一点(势阱浅),原子的动量变得“单纯”而精确。这时候,光子撞它一下,我们就能清晰地探测到反冲,知道了光子的路径信息。
- 结果:干涉条纹瞬间消失!
大自然在这里没有一丝含糊。当你试图窥探粒子的路径时,波动的魔法就自动失效。
实验数据画出了一条完美的曲线,与玻尔当年的预言严丝合缝。
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这项研究最震撼的地方在于,科学家们获得了一个可以连续调节的旋钮。通过调节光镊的力度,他们可以随意控制“知道多少路径信息”。
你知道得越多,干涉就越弱。
这就像是宇宙在这个微观的角落里不仅掷骰子,还严格遵守着一套“信息守恒定律”。爱因斯坦当年设想的“既要又要”——既要确定的路径,又要完美的干涉,在物理法则上被宣判了死刑。
实验还通过精密的计算,剔除了原子加热等“经典噪声”的干扰,证明了让干涉条纹消失的真凶,正是量子纠缠。光子与作为狭缝的原子纠缠在了一起,原子记录了光子的秘密,于是干涉图样就此坍缩。
这篇发表在《物理评论快报》上的论文,虽然标题充满着艰深的术语(Tunable Einstein-Bohr Recoiling-Slit Gedankenexperiment...),但它实质上是一封跨越世纪的回信。
它告诉爱因斯坦:那个困扰你半生的幽灵般的量子世界,是真的。
但爱因斯坦真的输了吗?并没有。
正是因为他极其刁钻的质疑,才逼得量子力学不断从哲学思辨走向精密实验。如今,这种能在单原子层面操控量子态的技术,正是未来量子计算和量子精密测量的基石。
爱因斯坦虽然在辩论中输了,但他逼出了人类科技树上最耀眼的一根枝丫。
致敬怀疑,致敬真理。
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参考文献:
- Zhang, Y. C., et al. (2025). Tunable Einstein-Bohr Recoiling-Slit Gedankenexperiment at the Quantum Limit.Physical Review Letters
- Wheeler, J. A. & Zurek, W. H. Quantum Theory and Measurement. (Princeton University Press, 2014).
- Bohr, N. Discussions with Einstein on Epistemological Problems in Atomic Physics.