科學家首次拍到光的波粒二象性 裙子是什麼顏色不受此影響

2020-12-06 觀察者網

科學家首次拍到了光的波粒二象性，有圖有真相。不過，裙子是藍黑色還是白金色當然不受此影響！

學過高中物理的讀者可能都知道，量子力學告訴我們，光同時具有粒子性和波性，但我們看到的要麼是波，要麼是粒子。電子顯微鏡就利用了波粒二象性來顯示樣品的結構，電子的波長很短，可以用來觀察更小的樣品。在愛因斯坦時代，科學家就一直在努力，設法同時、直接看到光這兩方面的性質。最近，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的科學家成功拍攝出有史以來第一張光同時表現出波粒二象性的照片。這一突破性成果發表在3月2日的《自然·通訊》雜誌上。這一成果為量子計算機開闢了新途徑。

瑞士洛桑聯邦理工學院科學家拍攝的有史以來第一張光既像波，同時又像粒子流的照片。© 2015 EPFL

此前一條裙子顏色的「二象性」引起網友熱議

當紫外光照在金屬表面時，會造成發射電子的現象。愛因斯坦將此解釋為入射光的「光電效應」，推動了量子力學的誕生，他因此獲頒1921年諾貝爾物理學獎。

光電效應示意圖：來自左上方的光子衝撞到金屬表面，將電子逐出金屬表面，並且向右上方移去。

光被認為既是一種波，也是一束粒子流。EPFL的一個由法布裡奧·卡彭領導的研究小組進行了一次「聰明的」反向實驗：用電子來給光拍照，終於捕獲了有史以來第一張光既像波，同時又像粒子流的照片。

雷射給納米線上的帶電粒子增加了能量

實驗設置大致為：發出一束雷射脈衝照射微細的金屬納米線。雷射給納米線上的帶電粒子增加了能量，使它們振動起來。光沿著這條微細納米線以兩個可能的方向傳播，就像高速路上的車輛。當波以相反的方向傳播，互相碰在一起時，就會形成一種新的波，看起來像停駐在那裡。在此，這種駐波成為實驗中的光源，向納米線的周圍輻射。

實驗示意圖

實驗設備就是這個傢伙

實驗中所用的技巧在於，研究人員發射了一束電子接近納米線，用這束電子來給停駐的光波拍照，當電子和駐波在納米線上相互作用時，它們要麼加快，要麼減慢。用超快顯微鏡拍攝這一速度改變的位置，就能使駐波變得可見，就像光的波性指紋。

而這種現象不僅能顯示出光的波狀特性，同時也顯示了粒子特性。當電子接近光駐波時，它們會「撞擊」光粒子，也就是光子，這會影響它們的速度，讓它們的速度更快或更慢。這種速度的變化顯示了電子和光子之間的能量「包」（量子）的交換，正是這些能量包的出現，顯示了納米線上的光的粒子性。

「這項實驗第一次證明了我們能直接拍攝量子力學現象及其矛盾的性質。」法布裡奧·卡彭說。此外，這項開創性研究的重要性在於它能把基礎科學拓展到未來技術上。「能在納米尺度拍攝並控制類似這種量子現象，也為量子計算機開闢了新途徑。」

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