科学家同时观察到光的粒子性与波动性

上图显示了单光子通过干涉仪时的情况。干涉仪的输出端装有一个量子分束器。在图中远处可以看到正弦振荡波形，它代表单光子干涉，是一种波现象。然而，在图片附近没有观察到振荡，这表明只显示了粒子的特征。在这两个极端之间，单个光子的行为不断地从波型变化到粒子型，这显示了两种状态的重叠。

受艺术家马里克·科内利斯·埃舍尔作品的启发，这幅艺术地图展示了光在粒子状态和波形之间的连续变化。

受艺术家马里克·科内利斯·埃舍尔作品的启发，这幅艺术地图展示了光在粒子状态和波形之间的连续变化。

阿尔贝托·佩鲁佐(左)和彼得·夏伯特(右)是研究论文的共同主要作者。

实验中用于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，并在输出端被极其灵敏的探测器探测到。北京时间11月8日消息，人们很早就知道光不仅能显示粒子的形式，还能显示波动的特征，这取决于光子实验测量的方法。但不久前，光从未同时显示这两种状态。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1905年，这场辩论发生了戏剧性的变化。爱因斯坦解释了光电效应，认为光是由称为光子的粒子组成的。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产生了深远的影响，为量子力学的发展做出了巨大贡献。量子力学在预测微小粒子(如原子和光子)的行为方面具有惊人的准确性。然而，这些预测非常违反直觉。例如，量子理论认为，类似光子的粒子可以同时出现在不同的地方，甚至同时出现在无限多的地方，就像波的行为一样。这个被称为“波粒二象性”的概念也适用于所有亚原子粒子，如电子、夸克甚至希格斯玻色子。波粒二象性是量子力学理论体系的基础。诺贝尔奖获得者理查德·费曼称之为“量子力学中的一个真正的谜”。发表在《科学》杂志上的两组独立研究使用不同的方法来测量光从波型到粒子型的转变，从而揭示光的本质特征。两组研究都来自理论物理学家约翰·惠勒在20世纪80年代进行的经典实验。惠勒的实验表明，观察光子的方法将最终决定光子的行为是像粒子还是像波。阿尔贝托·奥普拉佐是布里斯托尔大学量子光子学中心的研究员。在他的领导下，一组物理学家和量子理论物理学家设计了一种基于惠勒实验的新方法，来同时观察光的粒子和波动性质。他们用分光器将一个光子与另一个光子纠缠在一起。确定第一光子的方法通过确定第二光子来确定。这一过程使研究人员能够探索光从波形到粒子状态的变化过程。“这个测量装置检测到的强非局域性证实了实验中光子的行为就像波和粒子一样，”peruzzo说。"这是对光、波或粒子状态模型的一个非常有力的反驳."量子光子学中心主任杰瑞米欧·布莱恩说:“为了进行这项研究，我们使用了一种新的量子光子芯片技术。该芯片是可重构的，即可以根据不同的电子回路进行编程和控制。这项技术在今天的量子计算机研究中处于非常领先的地位，在未来，它还将为量子力学的前沿研究带来更重要的成果。”尼斯大学国家科学研究中心的弗洛里安凯塞利用纠缠光子对实现了惠勒的实验。一个光子被干涉仪探测到，使得研究人员能够确定第二个光子的状态是以波的形式、粒子的形式还是两者之间的形式。他们的实验还实现了光子从波形到粒子状态的连续转变。