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科学家同时观察到光的粒子性与波动性

  长久以来,人们都知道光既可以表现出粒子的形式,也可以呈现波动的特征,这取决于光子实验测定时的方法。但就在不久之前,光还从未同时表现出这两种状态。

  关于光是粒子还是波的争论由来已久,甚至可以追溯到科学最初萌芽的时候。艾萨克•牛顿提出了光的粒子理论,而詹姆斯•克拉克•麦克斯韦的电磁学理论认为光是一种波。到了1905年,争论出现了戏剧性的变化。爱因斯坦提出光是由称为“光子”的粒子组成,借此解释了光电效应。他也因此获得了诺贝尔物理学奖。光电效应的发现对物理学影响深远,并为后来量子力学的发展作出了重大贡献。

  量子力学在对微小粒子,如原子和光子的行为预测上,具有惊人的准确性。然而,这些预测非常违反直觉。比如,量子理论认为类似光子的粒子可以同时在不同的地方出现,甚至是同时在无穷多的地方出现,就像波的行为一样。这种被称为“波粒二象性”的概念,也适用于所有的亚原子粒子,如电子、夸克甚至希格斯玻色子等。波粒二象性是量子力学理论系统的基础,诺贝尔奖获得者理查德•费曼将其称为“量子力学中一个真正的奥秘”。

上面的想象图演示的是单光子穿过干涉仪时的情景,干涉仪的输出端装有量子分光镜。图中远处可以看到正弦振荡的波形,表示的是单光子干涉,是一种波动现象。而在图片近处,观察不到振荡,说明只表现出粒子的特性。在两种极端之间,单光子的行为连续不断地从波的形式向粒子形式转变,图中显示了这两种状态的重叠。

  刊于《科学》杂志上的两组独立研究,利用不同的方法对光从波形态向粒子态的转变进行了测定,以揭示光的本质面貌。两组研究都来源于理论物理学家约翰•惠勒于上个世纪80年代进行的经典实验。惠勒的实验提出,观察光子时应用的方法,将最终决定光子的行为是像粒子还是像波。

受艺术家毛里茨•科内利斯•埃舍尔作品的启发绘制的艺术图,

显示了光在粒子态和波形态之间的连续变化。

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