百年诺奖
终结爱因斯坦与玻尔世纪之辩，九章团队首次实现“反冲狭缝”思想实验
在1927年的第五届索尔维会议上，爱因斯坦为挑战玻尔的互补性原理，在双缝干涉实验中，设计让单光子通过一个可移动的狭缝。爱因斯坦认为，单光子会给狭缝一个极微弱的反冲动量，若能测出这一反冲即可知道光子的路径（粒子性），而只要狭缝位置足够精确，干涉条纹（波动性）仍可保留。这一思想实验直接指向“能否同时获得波与粒子的完整信息”，被视为量子力学最深刻的悖论之一。
图1：1927年第五届索尔维会议合影和爱因斯坦波尔争论中提出来的反冲狭缝思想实验。双缝中的一个狭缝通过弹簧悬挂，能对微小反冲做出响应，另一个狭缝固定。若测到反冲，说明光子走的是可移动狭缝；反之，走的是固定狭缝。
实现这一思想实验的关键在于测量有效的反冲信号，这就要求狭缝的动量不确定度要小于光子的冲击动量。然而，由于单光子的动量反冲非常微弱（~10-27kg·m/s），远小于宏观物体的动量不确定度。所以，爱因斯坦的这一巧妙的思想实验在过去近百年仍停留在“思想”层面。
现在，九章团队利用光镊囚禁的量子基态单原子，首次忠实地实现了1927年爱因斯坦和玻尔争论中提出的“反冲狭缝”量子干涉思想实验，观测到了原子动量可调谐的干涉对比度渐进变化过程，证明了海森堡极限下的互补性原理，并展示了从量子到经典的连续转变过程。相关成果以编辑推荐的形式2025年12月3日发表于国际期刊《物理评论快报》。美国物理学会Physics栏目以“单原子的爱因斯坦狭缝”为题进行专题报道。
图2：以编辑推荐形式发表于《物理评论快报》，并被Physics专题报道。
审稿人评价该工作是“对量子力学基础的重大贡献”（this is a significant contribution to the foundations of quantum mechanics）、“一个漂亮的实验”（beautiful experiment）、“一个百年思想实验的教科书式实现”（a textbook realization of a century old thought experiment）。
实验创新：单原子作为“可移动狭缝”
如图3a所示，本实验对传统的双缝装置（图1）进行了巧妙修改：中间的双缝固定，而左侧是一个“可移动狭缝”。当光子与此狭缝相互作用时，它可能向上或向下偏转，导致狭缝以相等且相反的动量反冲。爱因斯坦认为，通过准确测量狭缝的反冲可以确定光子的路径（粒子性），同时观察干涉条纹（波动性），这似乎与玻尔的互补性原理相冲突。
图3：单光子单原子量子干涉仪实现爱因斯坦思想实验。
在微观层面，这个狭缝被替换成了单原子，研究组在量子极限条件下实现了最灵敏的“可移动狭缝”：利用光镊囚禁的单个铷原子作为“可移动狭缝”，使用拉曼边带冷却技术将原子制备至三维运动基态，使其动量不确定性下降至与单光子动量相当的水平。同时，实验可以通过灵活地调节光镊囚禁势阱深度，来改变原子狭缝的动量不确定度。实验选定一个封闭循环跃迁，排除了原子内态自由度的干扰。为了实现稳定的干涉，研究组发展了主动反馈锁相技术，将原子荧光的干涉路径抖动控制到了纳米级别。
虽然实验技术复杂，其核心原理却清晰直观。如图3b所示，实验中用一个处于基态的单原子作为“可移动狭缝”，它具有一定的动量分布|ψ(p)⟩。当单光子射向该原子时，会向上或向下散射，分别携带动量+ℏk或−ℏk。根据动量守恒，原子获得相反的反冲动量：
-
光子带+ℏk→原子动量态变为|ψ(p−ℏk)⟩；
-
光子带−ℏk→原子动量态变为|ψ(p+ℏk)⟩。
此时，整个系统处于一种纠缠态：光子的两种路径分别对应狭缝（原子）的两种动量态。能否观察到干涉，取决于这两个原子动量态是否可区分：
-
如果该原子的动量不确定性Δp≪ℏk，两个态在动量空间分离、几乎无重叠→路径信息可分辨→干涉消失；
-
如果Δp≫ℏk，两个态高度重叠→无法判断光子路径→干涉恢复。
宏观物体因Δp极大，反冲信号完全淹没在噪声中，路径信息天然不可得。而本实验通过调节光镊势阱深度，精准控制原子的Δp。根据海森堡不确定性原理（即位置不确定性Δx与动量不确定性Δp成反比），有如下结果：
|
光镊阱深 |
原子受到的空间限制 |
Δx |
Δp |
路径是否可分辨 |
干涉对比度 |
|
深 |
强 |
小 |
大 |
难分辨 |
高 |
|
浅 |
弱 |
大 |
小 |
易分辨 |
低 |
由此，研究团队首次在实验中连续调控并观测到从量子到经典的平滑过渡，直接验证了互补性原理的量子本质。
从爱因斯坦-玻尔之辩到可操作的量子实验
费曼曾说，“没有人能说自己真正懂量子力学。”的确，在实验手段有限的年代，许多量子思想实验更多像是哲学辩论。本实验的意义在于：把原本停留在哲学争论中的量子思想，变成了可以直接观测的实验现象。
这为量子教学提供了启发：量子规律并不是抽象的哲学讨论，而是可以在精密系统中被呈现、被检验的物理现实。
如今，无需等待百年，也无需复杂的超冷原子平台——在普通教学环境中，老师和学生就能够亲手探索这一量子力学的核心思想。
要深入理解互补性原理，一个有效的切入点是思考两个层层递进的问题：
第一，光子真的能“同时走两条路”吗？
第二，一旦我们“知道”它走了哪条路，会发生什么？
这两个问题，恰好对应我们的两套教学平台：
1、建立“单光子会干涉”的事实——单光子干涉模块
-
采用预告式单光子源，确保每次仅有一个光子进入干涉仪；
-
通过符合计数技术，累积观测到清晰的干涉条纹；
-
关键意义：证明干涉不是光子之间的集体效应，而是单个光子处于“同时走两条路径”的量子叠加态，奠定理解互补性的基础。
图4：单光子干涉实验模块及单光子干涉统计结果。
2、展示“路径信息会消除干涉”的机制——量子互补性原理演示仪（经典类比）
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利用一对正交偏振片（如H/V）对干涉仪两臂进行标记，相当于给光子“贴上路径标签”，此时干涉条纹消失；
-
当加入45°检偏器“擦除”标签后，条纹又神奇重现；
-
教学价值：以高稳定性、可视化的方式，把“路径信息vs干涉图样”之间的互补关系从抽象哲学真正变成课堂可操作的实验现象。
图5：量子互补性原理演示仪。
九章团队的实验完成了对一个世纪思想实验的“教科书式实现”。我们的教学平台在无需复杂超冷原子系统的情况下，通过单光子干涉与互补性演示的组合，使这一核心量子思想走进常规课堂。
让前沿科学从“可读”变为“可做”，推动学生真正理解量子规律，是量子教育迈向深度理解的关键一步。
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/93zb-lws3
Physics报道：
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