科學家同時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的情景，干涉儀的輸出端裝有量子分光鏡。圖中遠處可以看到正弦振蕩的波形，表示的是單光子干涉，是一種波動現象。而在圖片近處，觀察不到振蕩，說明只表現出粒子的特性。在兩種極端之間，單光子的行為連續不斷地從波的形式向粒子形式轉變，圖中顯示了這兩種狀態的重疊。

    受藝術家毛里茨·科內利斯·埃舍爾作品的啟發繪制的藝術圖，顯示了光在粒子態和波形態之間的連續變化。

    受藝術家毛里茨·科內利斯·埃舍爾作品的啟發繪制的藝術圖，顯示了光在粒子態和波形態之間的連續變化。

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。

    實驗中用以檢測波粒二象性的量子光子芯片。單光子通過光纖進入環路，在輸出端被極其敏感的探測器檢測到。

北京時間11月8日消息，長久以來，人們都知道光既可以表現出粒子的形式，也可以呈現波動的特征，這取決于光子實驗測定時的方法。但就在不久之前，光還從未同時表現出這兩種狀態。

關于光是粒子還是波的爭論由來已久，甚至可以追溯到科學最初萌芽的時候。艾薩克·牛頓提出了光的粒子理論，而詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的電磁學理論認為光是一種波。到了1905年，爭論出現了戲劇性的變化。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。他也因此獲得了諾貝爾物理學獎。光電效應的發現對物理學影響深遠，并為后來量子力學的發展作出了重大貢獻。

量子力學在對微小粒子，如原子和光子的行為預測上，具有驚人的準確性。然而，這些預測非常違反直覺。比如，量子理論認為類似光子的粒子可以同時在不同的地方出現，甚至是同時在無窮多的地方出現，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理論系統的基礎，諾貝爾獎獲得者理查德·費曼將其稱為“量子力學中一個真正的奧秘”。

刊于《科學》雜志上的兩組獨立研究，利用不同的方法對光從波形態向粒子態的轉變進行了測定，以揭示光的本質面貌。兩組研究都來源于理論物理學家約翰·惠勒于上個世紀80年代進行的經典實驗。惠勒的實驗提出，觀察光子時應用的方法，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)佐是布里斯托大學量子光子學中心的研究員，在他的帶領下，一個由物理學家和量子理論物理學家組成的團隊根據惠勒的實驗設計了新的方法，以同時觀測光的粒子性和波動性。他們利用光分離器使一個光子糾纏另一個光子。通過對第二個光子的測定，來決定對第一個光子的測定方法。這一過程使研究者得以探索光從波的形式向粒子態轉變的過程。

“這種測量裝置檢測到強烈的非定域性，證實了實驗中光子同時表現得既像一種波又像粒子，”佩魯佐說，“這對光或者是波形態，或者是粒子態的模型是非常有力的反駁。”

量子光子學中心的主管杰里米·奧布萊恩(Jeremy O’Brien)說：“為了進行這項研究，我們使用了一項新穎的量子光子芯片技術。這種芯片具有可重構性，即它可以根據不同的電子環路來進行編程和操控。這項技術在今天的量子計算機研究中處于十分領先的地位，而在未來，它還將帶來更多有關量子力學尖端研究的重要成果。”

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