愛因斯坦是一位對(duì)人類物理學(xué)做出了巨大貢獻(xiàn)的物理學(xué)家，在過去的日子里，他提出的理論不斷地得到驗(yàn)證，我們也經(jīng)常看到諸如“愛因斯坦又對(duì)了”這樣的描述。

然而根據(jù)一項(xiàng)近日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的新研究，來自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)終結(jié)了他與玻爾的那場(chǎng)世紀(jì)之辯，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這一次，是愛因斯坦錯(cuò)了。這到底是怎么回事呢？下面我們就來了解一下。

在進(jìn)入20世紀(jì)之后，人們逐漸意識(shí)到，微觀粒子是具有波粒二象性的，也就是說，它們可以同時(shí)具有波動(dòng)性與粒子性，而為了深入研究微觀粒子的波粒二象性，科學(xué)家還設(shè)計(jì)了一種堪稱經(jīng)典的雙縫實(shí)驗(yàn)。

其內(nèi)容簡(jiǎn)單來講就是，讓單個(gè)微觀粒子逐個(gè)通過一塊帶有兩條狹縫的擋板，然后再抵達(dá)后方放置的探測(cè)屏，通過對(duì)粒子在探測(cè)屏的落點(diǎn)分布進(jìn)行分析，就可以知道粒子到底是以波的形式還是以粒子的形式穿過了狹縫。

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，如果不去觀測(cè)粒子到底是經(jīng)過哪一條縫，那隨著粒子落點(diǎn)的累積，探測(cè)屏上就會(huì)形成明暗相間的干涉條紋，表現(xiàn)出波動(dòng)性，而如果對(duì)粒子的經(jīng)過路徑進(jìn)行了觀測(cè)，探測(cè)屏上就不會(huì)出現(xiàn)干涉條紋，表現(xiàn)出粒子性。

對(duì)于這種現(xiàn)象，量子力學(xué)哥本哈根詮釋的主要?jiǎng)?chuàng)立者尼爾斯·玻爾用“互補(bǔ)原理”進(jìn)行了解釋，他認(rèn)為，微觀粒子的波動(dòng)性與粒子性不能同時(shí)被觀察到，也就是說，如果你想觀測(cè)粒子的路徑（粒子性），干涉條紋（波動(dòng)性）就會(huì)消失，而如果你想看干涉條紋，就必須放棄去觀測(cè)粒子的路徑。

然而愛因斯坦并不認(rèn)同玻爾的理論，為了對(duì)其進(jìn)行反駁，他在1927年的索爾維會(huì)議上提出了一個(gè)精妙的實(shí)驗(yàn)，試圖在不破壞干涉條紋的前提下，獲取粒子的路徑信息。

他的設(shè)計(jì)大概是這樣的：在常規(guī)的雙縫板之前，再加一道只有一條狹縫的擋板，微觀粒子必須先穿過這個(gè)單縫，才能到達(dá)后面的雙縫。這個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于，實(shí)驗(yàn)中的狹縫需要水平排列，其中單縫擋板不是固定的，而是懸掛在一個(gè)極高靈敏度的彈簧上，可以上下自由移動(dòng)。

愛因斯坦指出，當(dāng)一個(gè)光子穿過單縫射向后面雙縫中的“上縫”時(shí)，它必然發(fā)生偏折，獲得一個(gè)向上的動(dòng)量分量，而根據(jù)動(dòng)量守恒定律，此時(shí)單縫擋板必然會(huì)受到一個(gè)向下的“反沖”，反之，如果光子去了“下縫”，擋板就會(huì)受到向上的“反沖”。

在這樣的情況下，只要我們足夠精確地測(cè)量這塊單縫擋板在光子通過前后的動(dòng)量變化，我們就能通過“反沖”的方向，推斷出光子到底去了哪條縫，而在此過程中，光子本身并沒有在后面的雙縫處受到直接干擾，因此它理應(yīng)繼續(xù)在探測(cè)屏上形成干涉條紋。

可以看到，如果愛因斯坦的設(shè)想成立，那么我們就可以同時(shí)獲得路徑信息（粒子性）和干涉條紋（波動(dòng)性），如此一來，就直接證偽了玻爾的理論。

對(duì)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)，玻爾反駁道，根據(jù)海森堡不確定性原理，精確測(cè)量粒子的動(dòng)量會(huì)導(dǎo)致粒子位置存在很大的不確定性，最終結(jié)果就是：干涉條紋依然會(huì)被破壞。

可以看到，愛因斯坦與玻爾各有各的道理，那他們誰(shuí)對(duì)誰(shuí)錯(cuò)呢？很明顯，做一下這個(gè)實(shí)驗(yàn)就可以知道了。然而由于光子的動(dòng)量極小，想要在實(shí)驗(yàn)中通過測(cè)量光子對(duì)一個(gè)宏觀物體的影響來判斷光子的去向，在技術(shù)上是不可能的任務(wù)，因此這個(gè)問題遲遲沒有確定的答案。

那此次研究又是如何終結(jié)愛因斯坦與玻爾的這場(chǎng)世紀(jì)之辯的呢？答案就是，既然宏觀物體測(cè)不出來，那么我們就用微觀粒子。

在實(shí)驗(yàn)室中，科學(xué)家利用先進(jìn)的光鑷技術(shù)，將一個(gè)銣原子精準(zhǔn)地“囚禁”在一個(gè)勢(shì)阱之內(nèi)（簡(jiǎn)單來講，光鑷技術(shù)就是利用激光聚焦產(chǎn)生的輻射壓力和梯度力捕獲和操縱微觀粒子）。

由于銣原子足夠輕，當(dāng)單個(gè)光子與它發(fā)生相互作用時(shí)，光子傳遞給原子的動(dòng)量就足以產(chǎn)生可觀測(cè)的量子態(tài)改變，因此這個(gè)銣原子就可以充當(dāng)愛因斯坦設(shè)想中那個(gè)“掛在彈簧上的單縫擋板”。

一個(gè)簡(jiǎn)單的原理就是，當(dāng)光子通過這個(gè)由銣原子構(gòu)成的“單縫擋板”時(shí)，它會(huì)與原子發(fā)生動(dòng)量交換，進(jìn)而導(dǎo)致原子動(dòng)量發(fā)生改變，通過測(cè)量出原子受了多大的“反沖”，就相當(dāng)于獲取到了光子的路徑信息，測(cè)量精確度越高，光子的路徑信息就越明確。

為了確保測(cè)量的準(zhǔn)確性，科學(xué)家利用一種被稱為“三維拉曼邊帶冷卻”的技術(shù)，將銣原子的位置和動(dòng)量不確定性壓縮到了非常接近理論極限，進(jìn)而讓其一直保持在與單個(gè)光子動(dòng)量相當(dāng)?shù)牧考?jí)。

在實(shí)驗(yàn)過程中，科學(xué)家通過精密調(diào)節(jié)光鑷的束縛強(qiáng)度，動(dòng)態(tài)地調(diào)整對(duì)原子動(dòng)量測(cè)量的精確度（束縛強(qiáng)度越低，原子動(dòng)量不確定性就越小，測(cè)量精確度也就越高，反之亦然）。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在測(cè)量精底度極低的情況下，后方探測(cè)屏上會(huì)出現(xiàn)清晰的干涉條紋，而隨著測(cè)量精度的上升，干涉條紋就會(huì)逐漸模糊，并且測(cè)量精度越高，干涉條紋就越模糊。

可以看到，這樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)幾乎完美地符合玻爾提出的理論，這也標(biāo)志著愛因斯坦與玻爾的那場(chǎng)世紀(jì)之辯的終結(jié)：這一次，是愛因斯坦錯(cuò)了。

參考資料：Y.-C. Zhang et al., Tunable Einstein-Bohr recoiling-slit Gedankenexperiment at the quantum limit, Phys. Rev. Lett. 135, 230202 (2025).