关于光真实本质的百年争论如何画上句号

如果我告诉你，“光是波还是粒子？”这个问题困扰着最伟大的科学家们已经超过三百年了，你会相信吗？克林顿·戴维森（Clinton Davisson）因发现电子也可以表现为波而于1937年获得诺贝尔奖，他当时说：“物理学的完美宝宝已经变成了一个双头侏儒。” 这是一个奇怪但准确的比喻：光似乎确实同时具有波和粒子这两种性质。我们大多数人都认为，一件事不可能同时具有两个对立的属性，但光的物理学一直在挑战这种逻辑。为了弄清“光到底是什么”，人们进行了数百年的探索，许多伟大的人物也参与其中。牛顿说：光只能是粒子。惠更斯则认为光只能是波，但他的观点几乎没有得到认同。后来，在1801年，托马斯·青（Thomas Young）进行了双缝实验：他照射两条平行的缝隙，并在屏幕上观察到一系列交替出现的明暗条纹。这是波叠加的经典迹象：波峰叠加的地方呈现出明亮的光，波峰与波谷相遇的地方则呈现出黑暗。在一段时间内，光是波的观点占了上风。但到了1905年，爱因斯坦通过光电效应让所有人大吃一惊：他证明，当光照射到金箔上时，只有当光以光子这种著名的“光包”形式到达时，才能使电子脱离。因此，光也可以是粒子。于是，一切都变得复杂起来。争论在1927年爆发：爱因斯坦和玻尔就光的性质展开激烈辩论，但他们无法在实验室中验证各自的观点。爱因斯坦发明了巧妙的思想实验：他在弹簧上增加了第三个缝隙，这个缝隙应该能“感知”光子的通过。如果装置发生移动，我们就知道自己面对的是一个粒子。但玻尔反驳道：如果你真的尝试测量位置，就会失去有关波动行为的信息，这正是海森堡不确定性原理所描述的情况。实际上：越是试图观察“粒子”性质，“波”性质的痕迹就越模糊，反之亦然。两人都没有让步，这场辩论就这样悬而未决地持续了几十年。但戏剧性的转折就在这里：2025 年，两支物理学家团队——一支在中国，由卢超阳领导；另一支在麻省理工学院，由沃尔夫冈·克特勒领导——真正实施了爱因斯坦和玻尔只能想象的实验。借助极端冷却技术和原子操纵技术，他们构建了由单个原子组成的“缝隙”，并成功测量了单个光子通过时产生的效应。凯特勒是这样解释的：“我们对原子进行了处理，这样当光子穿过狭缝时，原子就会发出‘沙沙声’。” 结果如何？正如玻尔预测的那样：你测量的“沙沙声”（即粒子通过）越多，波干涉图像就越消失。但是，当你只测量一点点时，就会发生新的现象：你同时看到一点点粒子和一点点波。它们不再是两个独立的世界，而是一种你可以实时观察到的微妙平衡。卢超阳说：“干涉的可见性和路径的可区分性不再是非此即彼，而是我们可以在两个极端之间来回切换。” 悖论依然存在，但现在我们可以亲眼看到它。戴维森那只双头日晷终于有了脸：光可以向你展示其两种性质，但永远无法以完美的方式呈现。如果物理学一直给你留下“要么是这样，要么是那样”的感觉，那么光的故事会迫使你认为真相可能更加微妙——也更加有趣得无以复加。如果这个故事与您有关，您可以在 Lara Notes 上点击“I'm In”——这不是点赞，而是您表达“现在这个想法属于我的”的方式。如果明天您告诉别人，光确实是一个双头地精，您可以在 Lara Notes 上做个标记：Shared Offline 就是表明这段对话很重要的方式。本文转载自《新科学家》（New Scientist）：与阅读原文相比，您节省了将近 8 分钟的时间。