學(xué)過(guò)高中物理的讀者可能都知道，量子力學(xué)告訴我們，光同時(shí)具有粒子性和波性，但我們看到的要么是波，要么是粒子。電子顯微鏡就利用了波粒二象性來(lái)顯示樣品的結(jié)構(gòu)，電子的波長(zhǎng)很短，可以用來(lái)觀察更小的樣品。在愛(ài)因斯坦時(shí)代，科學(xué)家就一直在努力，設(shè)法同時(shí)、直接看到光這兩方面的性質(zhì)。最近，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的科學(xué)家成功拍攝出有史以來(lái)第一張光同時(shí)表現(xiàn)出波粒二象性的照片。這一突破性成果發(fā)表在3月2日的《自然·通訊》雜志上。這一成果為量子計(jì)算機(jī)開辟了新途徑。

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院科學(xué)家拍攝的有史以來(lái)第一張光既像波，

同時(shí)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(wǎng)友熱議

　　當(dāng)紫外光照在金屬表面時(shí)，會(huì)造成發(fā)射電子的現(xiàn)象。愛(ài)因斯坦將此解釋為入射光的“光電效應(yīng)”，推動(dòng)了量子力學(xué)的誕生，他因此獲頒1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

光電效應(yīng)示意圖：來(lái)自左上方的光子沖撞到金屬表面，

將電子逐出金屬表面，并且向右上方移去。

　　光被認(rèn)為既是一種波，也是一束粒子流。EPFL的一個(gè)由法布里奧·卡彭領(lǐng)導(dǎo)的研究小組進(jìn)行了一次“聰明的”反向?qū)嶒?yàn)：用電子來(lái)給光拍照，終于捕獲了有史以來(lái)第一張光既像波，同時(shí)又像粒子流的照片。

激光給納米線上的帶電粒子增加了能量

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)置大致為：發(fā)出一束激光脈沖照射微細(xì)的金屬納米線。激光給納米線上的帶電粒子增加了能量，使它們振動(dòng)起來(lái)。光沿著這條微細(xì)納米線以兩個(gè)可能的方向傳播，就像高速路上的車輛。當(dāng)波以相反的方向傳播，互相碰在一起時(shí)，就會(huì)形成一種新的波，看起來(lái)像停駐在那里。在此，這種駐波成為實(shí)驗(yàn)中的光源，向納米線的周圍輻射。

實(shí)驗(yàn)示意圖

實(shí)驗(yàn)設(shè)備就是這個(gè)家伙

　實(shí)驗(yàn)中所用的技巧在于，研究人員發(fā)射了一束電子接近納米線，用這束電子來(lái)給停駐的光波拍照，當(dāng)電子和駐波在納米線上相互作用時(shí)，它們要么加快，要么減慢。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(jiàn)，就像光的波性指紋。

　　而這種現(xiàn)象不僅能顯示出光的波狀特性，同時(shí)也顯示了粒子特性。當(dāng)電子接近光駐波時(shí)，它們會(huì)“撞擊”光粒子，也就是光子，這會(huì)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(xiàn)，顯示了納米線上的光的粒子性。

　　“這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)第一次證明了我們能直接拍攝量子力學(xué)現(xiàn)象及其矛盾的性質(zhì)。”法布里奧·卡彭說(shuō)。此外，這項(xiàng)開創(chuàng)性研究的重要性在于它能把基礎(chǔ)科學(xué)拓展到未來(lái)技術(shù)上。“能在納米尺度拍攝并控制類似這種量子現(xiàn)象，也為量子計(jì)算機(jī)開辟了新途徑。”