科學(xué)家同時(shí)觀察到光的波粒二象性

    上面的想象圖演示的是單光子穿過干涉儀時(shí)的情景，干涉儀的輸出端裝有量子分光鏡。圖中遠(yuǎn)處可以看到正弦振蕩的波形，表示的是單光子干涉，是一種波動(dòng)現(xiàn)象。而在圖片近處，觀察不到振蕩，說明只表現(xiàn)出粒子的特性。在兩種極端之間，單光子的行為連續(xù)不斷地從波的形式向粒子形式轉(zhuǎn)變，圖中顯示了這兩種狀態(tài)的重疊。

    受藝術(shù)家毛里茨·科內(nèi)利斯·埃舍爾作品的啟發(fā)繪制的藝術(shù)圖，顯示了光在粒子態(tài)和波形態(tài)之間的連續(xù)變化。

    受藝術(shù)家毛里茨·科內(nèi)利斯·埃舍爾作品的啟發(fā)繪制的藝術(shù)圖，顯示了光在粒子態(tài)和波形態(tài)之間的連續(xù)變化。

阿爾貝托·佩魯佐(左)和彼得·夏伯特(右)，研究論文的并列第一作者。

    實(shí)驗(yàn)中用以檢測波粒二象性的量子光子芯片。單光子通過光纖進(jìn)入環(huán)路，在輸出端被極其敏感的探測器檢測到。

北京時(shí)間11月8日消息，長久以來，人們都知道光既可以表現(xiàn)出粒子的形式，也可以呈現(xiàn)波動(dòng)的特征，這取決于光子實(shí)驗(yàn)測定時(shí)的方法。但就在不久之前，光還從未同時(shí)表現(xiàn)出這兩種狀態(tài)。

關(guān)于光是粒子還是波的爭論由來已久，甚至可以追溯到科學(xué)最初萌芽的時(shí)候。艾薩克·牛頓提出了光的粒子理論，而詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的電磁學(xué)理論認(rèn)為光是一種波。到了1905年，爭論出現(xiàn)了戲劇性的變化。愛因斯坦提出光是由稱為“光子”的粒子組成，借此解釋了光電效應(yīng)。他也因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)對物理學(xué)影響深遠(yuǎn)，并為后來量子力學(xué)的發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)。

量子力學(xué)在對微小粒子，如原子和光子的行為預(yù)測上，具有驚人的準(zhǔn)確性。然而，這些預(yù)測非常違反直覺。比如，量子理論認(rèn)為類似光子的粒子可以同時(shí)在不同的地方出現(xiàn)，甚至是同時(shí)在無窮多的地方出現(xiàn)，就像波的行為一樣。這種被稱為“波粒二象性”的概念，也適用于所有的亞原子粒子，如電子、夸克甚至希格斯玻色子等。波粒二象性是量子力學(xué)理論系統(tǒng)的基礎(chǔ)，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼將其稱為“量子力學(xué)中一個(gè)真正的奧秘”。

刊于《科學(xué)》雜志上的兩組獨(dú)立研究，利用不同的方法對光從波形態(tài)向粒子態(tài)的轉(zhuǎn)變進(jìn)行了測定，以揭示光的本質(zhì)面貌。兩組研究都來源于理論物理學(xué)家約翰·惠勒于上個(gè)世紀(jì)80年代進(jìn)行的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。惠勒的實(shí)驗(yàn)提出，觀察光子時(shí)應(yīng)用的方法，將最終決定光子的行為是像粒子還是像波。

阿爾貝托·佩魯(Alberto Peruzzo)佐是布里斯托大學(xué)量子光子學(xué)中心的研究員，在他的帶領(lǐng)下，一個(gè)由物理學(xué)家和量子理論物理學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)根據(jù)惠勒的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了新的方法，以同時(shí)觀測光的粒子性和波動(dòng)性。他們利用光分離器使一個(gè)光子糾纏另一個(gè)光子。通過對第二個(gè)光子的測定，來決定對第一個(gè)光子的測定方法。這一過程使研究者得以探索光從波的形式向粒子態(tài)轉(zhuǎn)變的過程。

“這種測量裝置檢測到強(qiáng)烈的非定域性，證實(shí)了實(shí)驗(yàn)中光子同時(shí)表現(xiàn)得既像一種波又像粒子，”佩魯佐說，“這對光或者是波形態(tài)，或者是粒子態(tài)的模型是非常有力的反駁。”

量子光子學(xué)中心的主管杰里米·奧布萊恩(Jeremy O’Brien)說：“為了進(jìn)行這項(xiàng)研究，我們使用了一項(xiàng)新穎的量子光子芯片技術(shù)。這種芯片具有可重構(gòu)性，即它可以根據(jù)不同的電子環(huán)路來進(jìn)行編程和操控。這項(xiàng)技術(shù)在今天的量子計(jì)算機(jī)研究中處于十分領(lǐng)先的地位，而在未來，它還將帶來更多有關(guān)量子力學(xué)尖端研究的重要成果。”

尼斯大學(xué)國家科學(xué)研究中心的弗洛里安·凱瑟(Florian Kaiser)利用糾纏光子對實(shí)現(xiàn)了惠勒的實(shí)驗(yàn)。一個(gè)光子通過干涉儀被探測到，使研究者能夠測定第二個(gè)光子的狀態(tài)，是像波的形式還是粒子形式，或者是二者之間。他們的實(shí)驗(yàn)也實(shí)現(xiàn)了光子從波的形式向粒子狀態(tài)的連續(xù)轉(zhuǎn)變。（來源：新浪科技 任天）