光具有波粒二象性在中學(xué)物理課本的光學(xué)部分就已經(jīng)學(xué)過。自愛因斯坦量子力學(xué)的發(fā)展以來，科學(xué)家們就在努力研究如何在同一時間對光的這兩種狀態(tài)進(jìn)行觀測。最近，EPFL(洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院)的科學(xué)家首次通過快照同時捕捉到光的波粒二象性。
量子力學(xué)理論中，光同時具有波和粒子特性。
# 早期的光具有波的特性由托馬斯·楊、菲涅耳、馬呂斯等人通過干涉、衍射和偏振現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)正明。粒子性在普朗克提出量子概念后，由愛因斯坦的光電效應(yīng)方程證明。
但是至今還沒有一個實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟谕粫r間捕捉到光的這兩種性質(zhì)。為此EPFL的科學(xué)家設(shè)計了一種特殊的實(shí)驗(yàn)，來觀察光的波粒二象性，平通過快照成功的在同一時間捕捉到了光的這兩種性質(zhì)，這一突破性的工作將發(fā)表在Nature communication上。
當(dāng)紫外線照射到金屬表面，會激發(fā)電子溢出。愛因斯坦以此解釋了“光電效應(yīng)”，提出了光是一種波，也是一束籽粒流。量子力學(xué)理論建立以來，科學(xué)家從不同的實(shí)驗(yàn)中分別觀察到了，光的這兩種性質(zhì)。
洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院，由Fabrizio Carbone帶領(lǐng)的一個研究小組設(shè)計了這樣一個巧妙的實(shí)驗(yàn)：利用電子對光進(jìn)行成像。研究人員成功的通過快照技術(shù)捕捉了這一現(xiàn)象：光在這張相片中同時表現(xiàn)出了波和粒子(束)性。
實(shí)驗(yàn)設(shè)計如下：通過脈沖向以金屬納米線發(fā)射一束激光。然后逐漸增大激光的能量，直到納米線中的粒子發(fā)生震動。這時，光在這條金屬線上有2種運(yùn)動方向，就像高速公路上來往的車輛。當(dāng)波以相反的方向傳播，并遇到其他的波時，就會形成一個新的駐波(standing wave)。
這個形成的駐波就是實(shí)驗(yàn)所要捕捉的光源，它圍繞納米線向外輻射。
實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵部分在這：科學(xué)家對納米線附近(非常非常近的位置)對駐波進(jìn)行觀測。而這時，納米線的電子由于受到駐波的作用，速度會被加快或減慢。這時，使用高速顯微鏡對電子速度變化時進(jìn)行拍攝。Carbone的團(tuán)隊(duì)捕獲到駐波，表現(xiàn)出的光的波動性。
而當(dāng)納米線上的粒子運(yùn)動時，在接近駐波時，他們與駐波上的光子發(fā)生了碰撞，也就會影響他們的速度，被加速或減慢。這種速度上的變化，恰恰顯示出電子和光子之間的能量(量子)交換。所以，這幅照片能夠同時顯示出，光的波粒二象性。
該實(shí)驗(yàn)首次表明，我們能夠?qū)α孔恿W(xué)進(jìn)行拍攝，以及這種矛盾的性質(zhì)。Carbone說道。
# 這種矛盾的性質(zhì)指，由于無法同時觀測到光的波粒二象性，學(xué)術(shù)界認(rèn)為，光在某個非常非常小的時間間隔中，一次只能表現(xiàn)出波的特性或者光的特性。
這種基礎(chǔ)性科學(xué)是具有非常巨大的開創(chuàng)性和創(chuàng)新性的。Carbone指出，能夠形象的在納米尺度對量子現(xiàn)象進(jìn)行控制為走向納米計算開創(chuàng)了一個新路徑。
#基礎(chǔ)科學(xué)研究的重要性在《三體》中描述的非常通俗。
另外，該研究由EPFL的高速顯微鏡和電子射散實(shí)驗(yàn)室、美國三一學(xué)院物理系和物理和生命科學(xué)理事會的勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室合作完成。EPFL擁有高速能量過濾成像電子顯微鏡全世界只有兩臺。
視頻：http://youtu.be/mlaVHxUSiNk
詳情可參看論文：Piazza L, Lummen TTA, Qui?onez E, Murooka Y, Reed BW, Barwick B, Carbone F.Simultaneous observation of the quantization and the interference pattern of a plasmonic near-field. Nature Communications 02 March 2015.
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