光的波粒二象性理論受到挑戰？教科書恐怕需要增加新章節了_風聞

光既是波又是粒子，具有波粒二象性——至少過去百年間，也就是量子力學誕生至今，我們一直這樣認為。其中關於光的波動性，可向前追溯至1801年，物理學家托馬斯·楊（Thomas Young) 通過雙縫實驗，證實了該基本特性。

不過有趣的是，現在有研究者提出顛覆性觀點，大膽挑戰經典雙縫實驗的結論，甚至質疑光的本質。根據《物理評論快報》(Physical Review Letters) 4月刊載的文章，巴西聖卡洛斯聯邦大學學者塞爾索·維拉斯-博阿斯 (Celso Villas-Boas) 與同事認為：

在雙縫實驗中，我們無需將光視作波才能解釋實驗結果，只考慮其粒子本質，就可令一切自洽。

“許多科學家都把雙縫實驗當作光具有波動性的確鑿證據，其中包括電磁學經典理論創立者詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell)和通過實驗證實愛因斯坦光電效應方程的羅伯特·密立根(Robert Millikan)等巨匠。但根據我們的解釋，光只需做粒子就夠了。經典的波動性理論並非最本質詮釋，量子力學才是。”

編譯 | 莫莊非

在雙縫實驗中，光線穿過兩個相鄰的狹縫投射到屏幕上，形成明暗相間的豎直條紋，即“經典干涉”圖樣。

傳統學説解釋稱：光波通過狹縫後在屏幕處相遇；當一列光波的波峯與另一列的波谷疊加時，二者相互抵消，屏幕上記錄下暗條紋 (即無光區域)；當兩列光波的波峯疊加時，則形成明條紋。

那麼，若假設光本質上只有粒子性而無波動性，正如維拉斯-博阿斯團隊所確信的那樣，又該如何推演得到經典條紋圖樣呢？

他們採用的數學模型以單原子作為屏幕，因為這是最基本的光子探測器；理論的基礎假定是條紋形成位置僅由狹縫幾何結構及光線通過時的偏折方式決定。通過該模型計算得到的結果表明，僅將光視為量子粒子，同樣可產生相同圖樣。

原因在於，通過狹縫的光子會在特定位置進入“暗態” (dark states)，處於這種量子態下的光子無法與其他粒子相互作用，因而不會在屏幕上留下光斑。換言之，暗條紋並不代表光子 (或者説光) 不存在，而是部分光子具有規避探測的量子特性的體現。

維拉斯-博阿斯的合著者、德國馬克斯·普朗克量子光學研究所的物理學家格哈德·倫佩 (Gerhard Rempe) 表示新結論令他們自己都無比震撼：“光子實際上遍佈所有地方，但存在於暗條紋區域的光子無法激發原子——這種顛覆性解釋打碎了關於經典干涉原理的認知。”

不少未參與該工作的同行都認同這一新理論框架或將引領的基礎物理學重大變革，但與此同時也對其持保留態度。畢竟，如此大膽的主張，需要經受嚴格檢驗。

波粒二象性概念的確立離不開雙縫實驗。不僅是光子，電子、原子乃至某些分子都在雙縫實驗中產生了經典干涉圖樣。

這種圖樣可以通過波動方程推導，並一直被視為波動現象。因此早期量子物理學家驚訝於具有與波相反特性的粒子實體竟都能產生相同圖樣。波粒二象性理論由此應運而生：世間萬物皆可根據特定情境呈現波動性或粒子性，只是這二象無法同顯。當然，儘管當代物理學家普遍接受波粒二象性概念，但它始終是量子理論裏最令人費解的特性之一。

“眼下，我們依然可以繼續用波的相消與相長來解釋涉及經典場和單光子的干涉現象，但新理論似乎提供了更完整而自洽的框架——僅以光的粒子性為依據。這樣的視角令人着迷。”意大利國家光學研究所的研究主任馬可·貝利尼 (Marco Bellini) 感嘆道。

倫佩指出，新框架或許還可解釋為何雙縫實驗的某些改動會產生超乎預期的影響。

例如，若在某一狹縫添加探測器 (以觀測光子穿過狹縫)，屏幕上就不再有的干涉條紋顯示，轉而呈現兩個對應狹縫的亮斑——這種現象匹配粒子而非波的特性。引入探測器怎就將電磁波誘導成光子流了？在維拉斯-博阿斯介紹的理論框架內，“觀察者改變光子現實”這樣的悖論不復存在。

“觀測行為如何影響量子客體這一根本問題，始終是量子物理學中複雜又懸而未決的爭論根源。新理論將光視為純粹的粒子，為解決爭論提供了路徑。”

紐約市立大學萊曼學院教授克里斯托弗·格里 (Christopher Gerry) 指出，光有暗態的概念其實早於上述研究。

“新觀點很有趣，但也會引發爭議。若能以實驗作驗證，理論會更具説服力。或許它可以用於補充解釋傳統的光干涉，但後者短期內不會退出歷史舞台。”

馬德里康普頓斯大學研究院路易斯·桑切斯-索托 (Luis Sánchez-Soto) 認為，目前尚不清楚這種顛覆性的詮釋能否揭示新的光學現象或催生量子物理新實驗。

“關鍵在於，它是‘為了什麼’？新理論的形式固然優雅，但它還要展現更多內容。”

維拉斯-博阿斯透露，他們已完成一項針對單個帶電原子的初步實驗測試，並收穫有力支持理論的實驗結果：聲子 (可理解為粒子狀的振動能量單元) 的明暗態同樣可用來解釋干涉現象。他目前正基於暗光子和亮光子概念，重新分析一種發射脈衝 (而非連續光束) 的特殊激光器——若理論模型正確，此類激光可能也由一束束或明或暗的光子構成。

貝利尼覺得，尋找“看見”暗光子的方法將是很有趣的探索。倫佩則表示：“現行的標準教科書恐怕需要增加新章節了。”

資料來源

‘Dark photon’ theory of light aims to tear up a century of physics

本文經授權轉載自微信公眾號“世界科學”，https://www.newscientist.com/article/2477695-dark-photon-theory-of-light-aims-to-tear-up-a-century-of-physics/。

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