關於光真實本質的百年爭論如何畫下句點

如果我告訴你，「光是波還是粒子？」這個問題困擾著最偉大的科學家已經超過三百年了，你會相信嗎？克林頓·戴維森 (Clinton Davisson) 因發現電子也可以表現出波的特性而於 1937 年獲得諾貝爾獎，他當時表示：「物理學的完美寶貝已經變成了一個雙頭地精。」 這是一個奇怪但準確的比喻：光似乎確實同時具有波和粒子這兩種性質。我們大多數人認為，一件事物不可能同時具有兩種相反的性質，但光的物理特性一直在挑戰這一邏輯。而為了弄清「光究竟是什麼」而進行的探索，已經歷了數個世紀，也牽涉到許多傑出人物。牛頓說：光只能是粒子。惠更斯則主張光只能是波，但他的觀點幾乎沒有人理會。後來，在 1801 年，湯瑪斯·楊 (Thomas Young) 進行了雙縫實驗：他照射兩條平行的縫隙，並在屏幕上觀察到一系列交替出現的明暗條紋。這是波疊加的經典跡象：波峰相加的地方，光線明亮；波峰與波谷相遇的地方，則是黑暗。一段時間以來，光的波動理論佔了上風。但到了 1905 年，愛因斯坦透過光電效應讓所有人大吃一驚：他證明，當光線照射金箔時，只有當光線以光子（即著名的光量子）的形式到達時，才能使電子脫離。因此，光也可以是粒子。一切變得更加複雜。爭論在 1927 年爆發：愛因斯坦和玻爾就光的本質展開激烈辯論，但他們無法在實驗室中驗證自己的想法。愛因斯坦想出了巧妙的思想實驗：他在彈簧上增加了第三個縫隙，這個縫隙應該能「感知」光子的通過。如果裝置移動，我們就知道自己面對的是一個粒子。但玻爾反駁道：如果你真的嘗試測量位置，就會失去有關波動行為的資訊，正如海森堡的不確定性原理所言。實際上，你越是嘗試觀察「粒子」性質，「波」的痕跡就越模糊，反之亦然。兩人都不肯妥協，這場爭論就這樣持續了數十年。但事情的轉折點就在此：2025 年，兩個物理學家團隊——一個在中國，由 Chao-Yang Lu 領導，另一個在麻省理工學院，由 Wolfgang Ketterle 領導——真正進行了愛因斯坦和玻爾只能想像的實驗。透過極端冷卻技術和原子操縱技術，他們建造了由單個原子組成的「縫隙」，並成功測量了單個光子通過時產生的效應。Ketterle 如此解釋：「我們對原子進行了處理，因此當光子穿過縫隙時，原子會發出沙沙聲。」 結果如何？正如玻爾預測的那樣：你測量的「沙沙聲」越多——也就是粒子通過的次數越多——波干涉圖就越消失。但是，當你只測量一小部分時，就會發生一種全新的情況：你同時看到一小部分粒子和一小部分波。它們不再是兩個獨立的世界，而是一種你可以即時觀察到的微妙平衡。Chao-Yang Lu 表示：「干涉的可見性和路徑的可區分性不再是非二元的，而是我們可以在兩個極端之間來回切換的。」 悖論依然存在，但現在我們可以親眼看到它。戴維森 (Davisson) 的雙頭日晷終於有了臉孔：光可以向你展示其雙重性質，但永遠無法以完美的方式呈現。如果物理學一直讓你覺得「要麼是這樣，要麼是那樣」，那麼光的故事會迫使你認為真相可能更加微妙——也更加有趣得無窮無盡。如果這個故事與你有關，你可以在 Lara Notes 上按下「I'm In」——這不是一個「讚」，而是你表達「這個想法現在是我的了」的方式。如果明天你告訴別人光確實是一個雙頭地精，你可以在 Lara Notes 上標記這一點：Shared Offline 就是表明這段對話很重要的方式。本文摘自《新科學人》：與閱讀原文相比，你節省了將近 8 分鐘的時間。