| 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。 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。 阿尔贝托·佩鲁佐(左)和彼得·夏伯特(右),研究论文的并列第一作者。 实验中用以检测波粒二象性的量子光子芯片。单光子通过光纤进入环路,在输出端被极其敏感的探测器检测到。 |





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