本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
[注意：我正处于写书的最后阶段，在接下来的几周内将全身心投入其中。所以珍-露西·皮康特跳进了她的私人时间机器（它存在于虚拟世界中，好吗？），并带回了2007年关于粒子/波二象性的帖子，供您阅读——经过轻微编辑，并更新了新的导语。100%原创博客将在八月恢复，在我们度过期待已久的假期之后。同时，我们希望您喜欢这些来自鸡尾酒会过去的爆炸性内容。]
在Ars Technica上，马特·弗朗西斯报道了一项巧妙的新量子干涉实验，该实验使用了酞菁及其衍生物的大分子。这些分子非常大——由100多个原子组成——这意味着这项实验正在接近那个临界阈值，即量子效应（亚原子领域）让位于经典物理学（我们生活的宏观领域）。
这并非分子尺度的粒子/波二象性首次成为新闻。早在2007年，劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员宣布，他们进行了世界上最小的双缝干涉实验，并确定量子粒子将在单个氢分子的大小尺度上开始表现出符合经典物理学的行为。物理学家们兴奋地讨论了这些奇妙的结果，其热情程度堪比人们对超级碗星期天的热情。但普通读者可能只是感到困惑，不明白这一切有什么大惊小怪的。
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说实话？如果不了解托马斯·杨最初的1802年实验（现在是粒子/波二象性量子概念的典型代表），以及围绕光本质的历史性科学辩论的背景知识，就很难理解这些前沿量子皱纹的重要性。
粒子还是波？这就是问题所在。事实证明，这是一个特别有争议的问题；事实上，这场辩论持续了数千年。公元前5世纪的希腊哲学家毕达哥拉斯是坚定的“亲粒子”派，而亚里士多德（生活在几百年后）因为敢于提出光以波的形式传播而受到同时代人的嘲笑。这种困惑是可以理解的，因为对光行为的经验观察相互矛盾。
一方面，光沿直线传播，并会从反射表面反弹。这就是粒子的行为方式。但它也会向外扩散，不同的光束可以交叉路径并混合在一起。这无疑是波状行为。简而言之，光患有分裂型人格障碍。
到了17世纪，许多科学家普遍接受了光的波动性，但研究界仍然存在顽固分子——其中包括伟大的艾萨克·牛顿爵士，他进行了许多关于光的实验，包括他著名的实验证明，使用棱镜来证明白光实际上是由许多不同颜色的光叠加而成的。
牛顿极力主张光是由他称为“微粒”的粒子流组成的。1672年，同事们说服牛顿在英国皇家学会的哲学汇刊上发表了他关于光微粒性质的结论。
他似乎认为他的想法会受到一致的欢呼，但当罗伯特·胡克和荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯不愿加入艾萨克的阵营时，他感到相当恼火。结果是一场为期四年的激烈辩论。惠更斯在一些关键问题上与牛顿意见相左，例如当光从空气等密度较小的介质进入玻璃等密度较大的材料时，光速如何变化：牛顿说光速应该增加；惠更斯说光速应该减小。这个问题在很大程度上仍未经过检验，因为当时没有很好的方法来测量速度的变化。
最终，牛顿作为有史以来最伟大的物理学家之一的地位确保了他的微粒流理论战胜了光的波动理论——直到那个厚颜无耻、力争上游的后起之秀，托马斯·杨，在近一个世纪后出现在舞台上。杨是英格兰萨默塞特郡一个贵格会家庭出生的10个孩子中最年长的，并且被证明是惊人地早熟。
他2岁就能阅读，6岁学会拉丁语，到14岁时，他已经在他的语言库中添加了希腊语、法语、意大利语、希伯来语、迦勒底语、叙利亚语、撒玛利亚语、阿拉伯语、波斯语、土耳其语和阿姆哈拉语。他对语言的运用能力在他后来的生活中为他提供了很好的帮助，当时他对埃及象形文字产生了浓厚的兴趣，并在通过破译几个埃及圣书体破解罗塞塔石碑的密码方面发挥了关键作用。
杨最初在剑桥学习医学，然后在哥廷根获得物理学博士学位，之后在伦敦开设了一家诊所。到28岁时，他被任命为英国皇家研究所的自然哲学教授，就光学、声学、气候和热的本质，到电学、流体动力学、天文学、引力和测量技术等各个领域的实验发表演讲。
“博学家”一词似乎很难公正地评价他；他在剑桥的同学们过去常称他为“现象级杨”。难怪他在威斯敏斯特教堂的墓志铭向他致敬，称他为“……一位在几乎所有人类学问领域都同样杰出的人”。
啊，但是这位才华横溢的年轻现象能够战胜物理学巨人并获胜吗？杨实际上是牛顿的忠实粉丝，他早期的色彩和视觉研究是基于牛顿从他的实验证明中获得的见解。但这并不意味着他毫无疑问地接受了这位伟人的结论。
他的关键实验最初并非波/粒二象性量子概念的典型代表；像他那个时代的每一位科学家一样，光可能两者兼具的事实对杨来说简直是不可思议的。因此，他设计了一个他认为可以一劳永逸地确定物质的实验。
自然而然地，一个黑暗的房间参与其中，以及一个光源（可能是蜡烛，或阳光，这是19世纪早期）。杨将光照射到一个屏障上，他在屏障上切开了两条狭窄的平行缝，缝隙之间相隔大约几分之一英寸。另一边是一个白色屏幕。
他推断，如果光是由粒子组成的，正如牛顿所声称的那样，屏幕上会显示两条明亮的平行线，光粒子会穿过其中一条或另一条缝隙。但如果光是一种波，它就会穿过两条缝隙，分离成次级波，然后在另一侧重新组合——即，它们会相互干涉。
这有点像水波，水波有波峰和波谷。当次级光波在另一侧重新组合时，无论两个波峰或波谷完全对齐，它们都会产生一个亮点。凡是波峰和波谷完全对齐的地方，它们都会相互抵消，在屏幕上留下一个暗点。因此，由此产生的“干涉图案”是一系列交替的暗带和亮带。而这正是杨观察到的，甚至还绘制了他自己的干涉图案草图。根据他的实验，光无疑是一种波。
杨对这项实验的成功感到非常高兴，这项实验为光的波动理论提供了迄今为止最有力的证据。他应用他的发现来解释薄膜（如肥皂泡）中发现的颜色变化，甚至将牛顿彩虹的七种颜色与波长联系起来，计算出每种颜色的大概波长必须是多少才能产生该特定颜色的光。
唉，他的欣快感是短暂的：亲牛顿阵营立即开始抨击杨的实验发现。人们根本不质疑这位伟人，即使在牛顿去世80年后也是如此。在线百科全书作者大卫·达林令人难忘地将其描述为“科学界的切腹自杀”。杨太年轻了，不明白这一点。牛顿在万神殿中的地位确保了科学界在很大程度上忽视了杨的关键实验长达10年之久，这得益于1803年发表在爱丁堡评论上的一篇简直是野蛮的评论（匿名发表，后来透露是由一位名叫亨利·布鲁厄姆勋爵的人撰写的，他是艾萨克的忠实信徒。）
对光的波动理论友好的粉丝来说幸运的是，法国物理学家奥古斯丁·菲涅尔对杨的基本实验装置进行了一系列更全面的演示，成功地（杨失败的地方）说服了世界各地的科学家，光确实是一系列波，而不是微小的粒子流。
在19世纪中期，另一位法国人莱昂·傅科证明，惠更斯是正确的——而牛顿是错误的——他断言光在水中的传播速度比在空气中更慢。考虑到惠更斯因为在这个问题上坚持己见而受到牛顿的尖刻批评，如果这位荷兰科学家从坟墓里发出一点“Nyah, nyah, nyah”式的幸灾乐祸，人们是可以理解的。
（法国人可能没有英国人那么崇拜牛顿，这可能有所帮助。珍-露西·皮康特敦促我们记住，即使是最伟大的科学家也常常是错误的。事实上，惠更斯在一定程度上促成了光波通过一种名为发光以太的不可见物质传播的观点，后来被1890年代著名的迈克耳孙-莫雷实验证伪。）
当然，与此同时，还有许多其他突破正在发生，所有这些加在一起，有力地支持了“光是一种波”的思想流派。结案了。或者说，物理学家们在19世纪末期是这样认为的。但随着量子力学的诞生，光又给他们带来了一些惊喜。这是一个太长的故事，无法在此赘述，但马克斯·普朗克、阿尔伯特·爱因斯坦和阿瑟·康普顿等杰出人物的工作导致人们认识到光既是粒子又是波：具体来说，光是由光子组成的，这些光子共同表现为波。
听起来很简单。除非量子力学从来没有那么简单。革命并没有就此结束。量子理论预测，即使是单个光子也可能表现得像波一样，并且基本上会与自身发生干涉。长期以来，没有办法验证这一预测。但最终，技术和科学仪器发展到了可以发射和探测单光子的程度。现代版本的实验是这样的。
首先，我们需要一位研究人员——比方说，帕丽斯·希尔顿，只是为了稍微扩展一下你的想象力。帕丽斯在屏障前设置了一个简单的光源，屏障上有两个小缝，另一侧有一个光敏屏幕，用于记录入射光的图案。帕丽斯打开光源，并且
被闪亮的光束催眠，向屏障中的两条缝隙一次发送一个光子。
我们在这里谈论的是单个粒子，因此光子应该只能穿过一条或另一条缝隙，就像许多微小的乒乓球一样撞击屏幕。相反，帕丽斯震惊地发现，光在另一侧的屏幕上形成了那个明显的干涉图案——交替的暗带和亮带。这到底是怎么回事？这意味着这些单光子的行为像波一样；每个光子都以某种方式穿过两条缝隙，并在另一侧与自身发生干涉。
现在帕丽斯想了解更多。毕竟，这是一个读过《孙子兵法》的女人；她的天生好奇心驱使她用一个额外的转折重复实验：她在每条缝隙旁边放置了粒子探测器，以便她可以验证光子实际上确实同时穿过了两条缝隙。
但这次，她没有得到干涉图案；她得到了乒乓球效应，这意味着光子现在表现得像一个单个粒子，穿过了一条缝隙，但穿过了另一条缝隙。光子只是在捉弄她吗？
帕丽斯·希尔顿无法应对量子难题，她的脑袋爆炸了。数百万人都欢欣鼓舞。小报哀悼。而那些调皮的光子则邪恶地咯咯地笑着，为又一次夺走了一个受害者而高兴。
好消息是，光子并非故意捉弄我们的头脑。对于这两种结果都有解释，但这种解释违背了常识。
由于添加了粒子探测器，帕丽斯无意中进行了第二次完全不同的实验，而不是仅仅调整她的第一次实验。在第一个版本中，她进行的是波的测量；在第二个版本中，她进行的是粒子的测量。她选择进行的测量类型决定了实验的结果。
如果帕丽斯只是让光子从光源传播到屏幕而不受干扰，它们就会表现得像波一样，她会看到干涉图案。但如果她在途中观察它们，她就知道光子走了哪条路径；这种知识迫使它们表现得像粒子一样，穿过一条或另一条缝隙。帕丽斯可以构建她的实验来产生干涉图案，或者确定单光子走了哪条路。但她不能同时做到这两件事。海森堡不确定性原理露出了它丑陋的头。
因此，伯克利新闻稿在2007年的开头写道：“经典物理学的宏大世界在很大程度上看起来是明智的：波是波，粒子是粒子，月亮升起与否与是否有人观看无关。微小的量子世界是不同的：粒子是波（反之亦然），量子系统保持多种可能性的状态，直到它们被测量——这相当于来自宏大世界的观察者[帕丽斯·希尔顿！]的入侵——并被迫做出选择：例如，电子的确切位置或动量。”
这两句话中包含了许多非常宏大的想法，超过了我们甚至可以在一篇博客文章中尝试明智地讨论的想法。关于这一点，人们已经写了大量的书，每年都有无数的论文发表在学术期刊上。
但我们印象最深刻的是他们构建实验装置的独创性。他们使用氢分子的两个质子核作为两个“缝隙”，间隔仅为一百亿分之一米。棘手的部分是首先分离氢分子的组成部分。他们是如何设法做到的呢？
如果你可以使用LBL高级光源的几条X射线束线，那就会有所帮助。你所需要做的（帕丽斯，你在做笔记吗？）是将氢气流通过该装置输送到一个“相互作用区域”（我的猜测是，相当于一个封闭的腔室），在那里，一些氢分子遇到了那束讨厌的X射线束，X射线束具有足够的能量来击落每个氢分子的两个带负电的电子。在没有负电荷来平衡的情况下，构成分子核的两个带正电的质子会因强大的相互排斥力而炸裂。
然后，LBL的研究人员使用电场根据电荷分离粒子，将质子发送到一个探测器，并将电子发送到相反方向的探测器。真是天才！LBL研究员阿里·贝尔卡森称之为“运动学完全实验”，因为它考虑了每一个粒子，使他们能够弄清楚各种各样的事情，比如“粒子的动量、质子的初始方向和距离以及电子的动量”。
不仅光子表现出波/粒二象性：电子也表现出。因此，即使是单个电子也能够与自身发生干涉。就像经典版本的实验一样，科学家们可以研究电子作为粒子，或作为波。例如，他们发现，一旦电子从氢分子上被击落，一个电子速度很快，另一个电子速度很慢，这使它们获得了各种各样的快电子和慢电子。
他们主要对干涉图案感兴趣，特别是它在何时消失。他们基本上通过稍微提高慢电子的能量水平，将慢电子变成了微小的粒子探测器。这使得慢电子变成了“观察者”。它们“足够大”，可以与经典领域相互作用。因此，干涉图案消失了，电子的行为几乎像一个经典系统。我说“几乎”，因为显然它们仍然保留了一些纠缠的迹象（爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”）。
所以，这就是世界上最小的双缝干涉实验。
这篇文章的早期版本于2007年11月首次出现在鸡尾酒会物理学档案博客上。
图片：（顶部）牛顿的棱镜实验草图。公共领域。（中间）托马斯·杨于1803年提交给英国皇家学会的光的双缝衍射草图。（托马斯·杨/维基百科）。（底部）帕丽斯·希尔顿阅读《孙子兵法》。来源：互联网上到处都是，虽然这张特定的图片文件来自这里。
参考文献:
阿库里，D. 等人。“最简单的双缝：H2双光电离中的干涉和纠缠”，科学，2007年11月9日。
朱夫曼，托马斯等人。“量子干涉的实时单分子成像”，自然纳米技术，2012年3月25日在线发表。DOI：10.1038/nnano.2012.34
牛顿，艾萨克。（1671）“艾萨克·牛顿先生（剑桥大学数学教授）的一封信；包含他的关于光和颜色的新理论”，伦敦皇家学会哲学汇刊 6, 3075-3087。
杨，托马斯。（1804。“光的干涉普遍规律的实验证明”，伦敦皇家学会哲学汇刊 94。