中国科学家新发现挑战玻尔互补原理设定的传统界限 光子就像一颗“双色球”
本报讯 （记者 许琦敏 通讯员 杨保国）光是什么？这个看似简单却困扰了物理学家上百年的问题，最近又有了新的理解光子就像一个奇怪的双色球，同时展示出粒子和波的特性。此前，光子被认为如同一张扑克牌，不是给人看粒子性的那一面，就是波动性的一面。
记者从中国科学技术大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室获悉，该实验室李传锋研究组首次实现了量子惠勒延迟选择实验，制备出了光的波—粒叠加状态，研究成果作为封面文章发表在9月份的《自然—光子学》上。
光是什么？对这个古老的科学问题，早在17世纪牛顿就提出“光是粒子”，惠更斯则提出“光是一种波”，再后来，爱因斯坦提出了光量子说。现在对光的理解可归结为玻尔的互补原理，即光具有波粒二象性，波动性和粒子性这两种属性即对立又互补，一个实验中具体展示哪种属性取决于实验装置。“这就好比照镜子，”中科院量子信息重点实验室的李传锋博士解释，“用不同的镜子，要么看到一个光子就是一份能量，如一个个粒子般打出去；要么看到光子在振荡，形成正弦的波纹。”
由于光子一旦被探测到，就会被破坏、消失，所以物理学家无法对同一个光子测几次特性。于是，他们又陷入了“抓狂”之中：光子到底什么样？它们一部分是粒子，一部分是波吗？还是一个光子如一张扑克牌，探测器只能探测到其中的一面？抑或它还有更多面目……
李传锋研究组设计出了一种巧妙的量子实验装置，在世界上首次观测到波与粒子的叠加状态：处于这种叠加态的光子，呈现出锯齿形的干涉条纹。
这说明什么？李传锋解释，如果光只有粒子性，那它通过这个装置测得的干涉条纹将是一条直线；如果光只有波动性，那将呈现如水波一样的正弦波纹；如果光由分别具有粒子性和波动性的两种光子混合组成，测得的条纹应该是一条起伏平缓的“水波”；而出现锯齿形的干涉条纹，说明一个光子同时具有粒子和波的性质。
“从不同角度看光子，会发现它们千姿百态：有的波动性多一些，有的粒子性强一些。”李传锋说，就像一个双色球，从不同角度看，就会看到红色多一些，或黄色多一些。
该研究丰富了人们对玻尔互补原理的理解，对“光是什么”有了新的认识。英国著名量子物理学家阿迪索教授等在同期杂志的“新闻与观察”栏目以《波—粒叠加》为题评述了该成果，称“该实验挑战了互补原理设定的传统界限，在一个实验装置中展示光子可以在波动和粒子两种行为之间相干地振荡”。《自然—物理》杂志也在“研究高亮”栏目报道了该成果，称它“重新定义了波粒二象性的概念”。
作者：许琦敏 杨保国来源文汇报)
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