何峰

激光等离子体实验室，上海交通大学物理与天文学院

杨氏双缝干涉实验是物理学史上的一个壮举，极大地推动了人对自然界的认识。牛顿（1643—1727）认为光是一种微粒，并由此揭示光的直线传播、反射等现象。微粒说盛行了整个康乾盛世（彼时中国的GDP约占全球总GDP的1/3）。巧合的是，随着康乾盛世的结束，光的微粒说也走到了尽头。1807年，英国科学家托马斯·杨设计了一个精巧的实验，在他的一篇论文里描述：“使一束单色光照射一块屏，屏上开有两条狭缝，可认为这两条缝就是两个光的发散中心。当这两束光射到一个放置在它们前进方向上的屏上时，就会形成宽度近于相等的若干条明暗相间的条纹……”。看似简单的实验揭示了惊人的现象：光不是直线传播的，光具有波动性，这和流行了上百年的光的微粒说存在天壤之别。这个实验成为了一个撬动世界的实验，是中学物理课本必修知识点。双缝干涉现象也成了判断某种物质是波还是粒子的准绳。

 

图1：杨氏双缝干涉实验，摘自网络。

在光的波动说盛行了大约一百年之后，光电效应和康普顿效应的出现，又明白无误地昭示了光具有动量、能量，具有典型的粒子性。诸多实验事实迫使人类改变了认识自然的思维方法，那就是光具有波粒二象性。伟大的人类对自然的探索不会禁锢于对的光的理解。1922年，年轻的法国科学家德布罗意大胆猜想，既然光具有波粒二象性，为什么电子甚至其他一切物质就不能具有波粒二象性呢？电子自被发现以来，一直被当作粒子，人们测量出了电子的质量、电荷，其粒子性板上钉钉，德布罗意的猜想被大多数人认为太过离经叛道。

电子是否具有波的属性，这依赖于实验的证实或者证伪。戴维逊和革末这一对师徒，在充满各种偶然环节的实验中，发现了电子具有波动性的证据。与此同时，乔治·汤姆逊也独立发现了这一证据。他们发现波动性的证据主要是利用了电子的衍射这一原理。因为发现了电子的波动性，戴维逊和汤姆逊分享了1937年的诺贝尔物理奖。值得一提的是，乔治·汤姆逊的父亲约瑟夫·汤姆逊因为发现电子并测量电子的电荷等工作于1906获得诺贝尔物理奖。父子两人因发现了电子的两个相互对立的性质同获诺贝尔奖也成为物理学史上的一段佳话。

图2 左：戴维逊和革末，手上拿的是实验装置；右：乔治·汤姆逊。摘自网络。

1961年，伟大的杨氏双缝干涉实验又走进了历史的舞台，并且打开了量子力学潘多拉盒子。蒂宾根大学的克劳斯·约恩松突发奇想用电子来进行双缝干涉实验。把一束电子通过两条平行狭缝，狭缝后面的显示屏记录下电子的位置，显示屏上呈现了典型的干涉条纹，如图3所示。在承认了电子可以是一种德布罗意波后，发现这一现象并不令人意外。但对实验稍作修改后的结果非常令人意外。如果在狭缝后面放置一个摄像头，并记录下电子究竟通过了两条狭缝中的哪一条，屏幕上的干涉条纹就消失了；如果关闭摄像头，干涉条纹又出现了。另外，做实验的时候，如果让10000个电子依次通过双缝，或者让10000个电子一股脑儿通过双缝，得到的两种干涉条纹是一样的，这说明双缝干涉不是通过两条缝的不同电子之间的干涉，而是电子和其自身的干涉！如果没有量子力学，这一切听起来就好像是伪科学。

图3 用电子实现杨氏双缝干涉，摘自网络。

新的科学技术的发展，使得人们可以设计各种各样的杨氏双缝干涉，并利用这一物理学的经典实验拓宽着人类的认识视野。利用强激光，人们可以设计出世界上最小的杨氏双缝干涉实验平台—氢气分子的杨氏双缝干涉。考虑一个氢气分子，电子（可以只考虑一个电子的动力学过程，另一个电子一直和两个原子核束缚在一起）分布在两个原子核上。如果把氢气分子置于强激光场中，电子吸收光子能量后会脱离原子核的束缚，即发生电离。在这个过程中，氢分子中的两个原子核相当于双缝，电子是德布罗意波，电离时电子可以从两个原子核上逃逸，于是双缝干涉发生了。由于双缝干涉的明暗条纹和双缝的间隔直接相关，因此，实验上通过测量氢分子电离后光电子的信息，可以反推氢分子两个原子核之间的距离，也即化学键的长度。这是一种高精度的单分子成像方法。

图4 氢分子杨氏双缝干涉示意图。摘自 Science 318, 949 (2007)。

人类认识自然的过程是思维不断开拓的过程。从量子力学的基本理论出发，双缝干涉的本质是研究对象处于两个本征态的叠加态，研究对象可以用波函数表示为，其中，r为空间坐标，和是两个本征态，其对应的能量为E₁ 和E₂ 。可以测量的物理量，也即波函数的模方可以写成

因此，要发生干涉，只需要有两个源即可。在杨氏双缝干涉中，这两个源即为通过双缝后的两个物理事件。类似的两个物理事件也可以通过其他方式产生，例如，利用相位稳定的周期量级激光脉冲电离原子。如图4左侧的两种激光场所示，通过控制激光脉冲的载波相位（这是一项高精尖技术），例如=0或者=π/2，电子的电离行为完全不同，这可能导致光电子动量分布呈现或者消失杨氏双缝干涉条纹。此处的双缝，可以看作是时域上的双缝事件，和传统的双缝干涉实验不同，但物理本质一样。

图5 时域双缝干涉。摘自 Phys. Rev. Lett. 95, 040401 (2005)，有修改。

只要体系中存在两个不可分辨的状态，就可以发生双缝干涉。按照这个逻辑，人们可以继续扩展杨氏双缝干涉的图像。例如，2019年英国科学家研究了铷原子在双色激光场中发生的杨氏双缝干涉现象。例如，铷原子的价电子处于5s态，它可以吸收一个780nm的光子，跃迁至5p态，然后继续吸收一个420nm的光子发生电离。或者，铷原子可以先吸收一个420nm的光子，跃迁至6p态，然后再吸收一个780nm的光子，发生电离。这两个电离通道不可区分，从而可以发生双缝干涉。双缝干涉的结果使得光电子的出射方向发生了变化。反过来，人们可以通过测量光电子的动量分布信息，反推体系经历了哪些量子态。

图6 铷原子中的双缝干涉。摘自PRL 122, 053204 (2019)，有修改。

最近，我们课题组把杨氏双缝干涉的研究又向前推进了一步。我们提出在单个氢原子内实现空间双缝的干涉现象。这一想法乍听起来有点匪夷所思，因为单个原子只有一个库伦中心，不存在空间的双缝。但是，神奇的激光技术可以创造新的物理。如果把氢原子置于高强度、高频率的激光场中，有一种奇怪的现象是：电子反而不容易电离，但是基态电子波函数被严重扭曲。如果站在电子坐标系上，光场的作用效果使得电子感受到类似于双库仑中心的作用。如果引入第二束激光脉冲来电离这种具有类似于双库伦中心的原子，光电子动量分布就会呈现双缝干涉的典型特征。这一现象打破了原子和分子的界限。什么是原子？什么是分子？激光场可以把原子变成一个分子！

图7 氢原子内的杨氏双缝干涉。摘自PRL 124, 163201 (2020)，有修改。

杨氏双缝干涉已经走过了几百年，在物理学历史上扮演过重要的角色。今天，它的重要性没有丝毫降低，它还将继续创造历史，引导人们探索自然的未知。