互補原理和波粒二象性有重大突破，量子力學還會有什麼發現？

導讀：本章摘自獨立學者靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》。此文旨在幫助大家認識我們身處的世界。世界是確定的，但世界的確定性不是我們能把我的。

玻爾的原話是：「一些經典概念的應用不可避免的排除另一些經典概念的應用，而這『另一些經典概念』在另一條件下又是描述現象不可或缺的；必須而且只需將所有這些既互斥又互補的概念彙集在一起，才能而且定能形成對現象的詳盡無遺的描述」。

如果說海森堡的不確定關係從數學上表達了物質的波粒二象性。那麼互補原理則從哲學高度概括了波粒二象性。互補原理與不確定關係是量子力學哥本哈根解釋的兩大支柱。但二者最根本的源泉還得從粒子的自旋去講。

而且再次提醒各位，我們的認識是深化的。有科學家通過實驗取得了關於波粒二象性同時顯示的事件。具體新聞如下：瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的科學家們第一次從實驗上同時拍攝到光波粒二象性的快照。這項突破性研究成果發表在《自然通訊》雜誌上。

當紫外光線照射金屬表面時，它導致電子發射。阿爾伯特 愛因斯坦這樣解釋「光電效應」：光原本認為僅僅是一種波，其實它也是一束粒子流。雖然各種實驗已經成功觀察到了光的波動性和粒子性行為，但是它們從未被同時觀測到。

EPFL的Fabrizio Carbone領導的一個研究小組，利用一個巧妙的方法完成了一項實驗：使用電子來使光成像。研究人員有史以來第一次，獲得光同時表現出波粒二象性的單個快照。

實驗這樣設置的：一束激光脈衝照射在微小的金屬納米線上。激光使納米線中的帶電粒子能量增加，引起它們振動。靈遁者物理科普書籍《見微知著》電子版在靈遁者淘寶有。

光沿著這根小小的納米線在兩個可能的方向上傳輸，就像公速路上的汽車。當沿相反方向傳輸的光波相遇時，它們會形成駐波（stand wave）。這裡，駐波成為實驗的光源，在納米線周圍輻射。

實驗的巧妙之處在於：科學家們在納米線附近發射一束電子流，利用它們來使光的駐波成像。因為電子與限制在納米線中的光相互作用，因此，電子會加速或減速。利用超快顯微鏡對電子速度發生變化的位置成像，Carbon的團隊現在可以使這個作為光波動性指紋的駐波可視化。

這種現象說明光的波動性，同時它也證明了光的粒子性。當電子在很接近光駐波的地方傳輸時，它們與光粒子，即光子發生碰撞。

如上文所述，這會影響電子的速度，使它們移動得更快或更慢。這種速度變化表現為電子和光子之間能量「包」（量子）的交換。這些能量包之間的交換，表明納米線中的光是一種粒子。

Fabrizio Carbone說：「這項實驗有史以來第一次證明，我們可以直接拍攝量子力學及其矛盾屬性。

此外，這項開創性工作的重要性在於它可以擴展基礎科學到未來技術。正如Carbone解釋說：「能夠像這樣在納米尺度對量子現象進行成像和控制，開闢了邁向量子計算的新途徑。」（中國航天系統科學與工程研究院 姚保寅。新聞來源搜狐網。）

還有一個新聞：刊於《科學》雜誌上的兩組獨立研究，利用不同的方法對光從波形態向粒子態的轉變進行了測定，以揭示光的本質面貌。兩組研究都來源於理論物理學家約翰·惠勒於上個世紀80年代進行的經典實驗。惠勒的實驗提出，觀察光子時應用的方法，將最終決定光子的行為是像粒子還是像波。

阿爾貝托·佩魯(Alberto Peruzzo)佐是布里斯託大學量子光子學中心的研究員，在他的帶領下，一個由物理學家和量子理論物理學家組成的團隊根據惠勒的實驗設計了新的方法，以同時觀測光的粒子性和波動性。

他們利用光分離器使一個光子糾纏另一個光子。通過對第二個光子的測定，來決定對第一個光子的測定方法。這一過程使研究者得以探索光從波的形式向粒子態轉變的過程。「這種測量裝置檢測到強烈的非定域性，證實了實驗中光子同時表現得既像一種波又像粒子，」佩魯佐說，「這對光或者是波形態，或者是粒子態的模型是非常有力的反駁。」

量子光子學中心的主管傑里米·奧布萊恩(Jeremy O』Brien)說：「為了進行這項研究，我們使用了一項新穎的量子光子晶元技術。這種晶元具有可重構性，即它可以根據不同的電子環路來進行編程和操控。這項技術在今天的量子計算機研究中處於十分領先的地位，而在未來，它還將帶來更多有關量子力學尖端研究的重要成果。」

尼斯大學國家科學研究中心的弗洛里安·凱瑟(Florian Kaiser)利用糾纏光子對實現了惠勒的實驗。一個光子通過干涉儀被探測到，使研究者能夠測定第二個光子的狀態，是像波的形式還是粒子形式，或者是二者之間。他們的實驗也實現了光子從波的形式向粒子狀態的連續轉變。(任天，新聞來源新浪網。)

所以大家看到了，量子力學的不確定性，矛盾性，都在隨著我們的認識深化。所以我一直強調世界是確定的。

互補性原理，不確性原理都告訴我們，看世界的角度很重要。對這個世界我們永遠要盛情以待。

摘自獨立學者靈遁者物理書籍《見微知著》

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