近代物理所首次實現了愛因斯坦提出的雙狹縫“理想實驗”

　　中科院近代物理研究所與德國馬普核物理所科研人員開展合作研究，利用反應顯微成像譜儀，采用逆運動學原理，用移動的“狹縫”(H2+)與He原子碰撞，通過記錄氦原子碎片的動量分布，研究對應碎片的楊氏雙縫干涉現象，首次實現了愛因斯坦提出的雙狹縫“理想實驗”。

　　楊氏雙縫干涉實驗揭示了光子的波粒二象性，是建立量子理論的基石之一，費曼稱之蘊含量子力學唯一的秘密。以玻爾為代表的哥本哈根學派利用不確定原理對這一現象給出了自洽的解釋，提出我們不能同時測到光子的軌跡和相位。但是，愛因斯坦認為一個完備理論必須能夠準確地描述物理實在的每個要素，并提出了一個“理想實驗”：在電子的楊氏雙縫實驗中，通過測量電子在狹縫上散射后的動量，理論上可以推測出電子的軌跡，這種測量并不會破壞粒子的相位——因此我們可以在得到干涉條紋的同時知道粒子是從哪個狹縫上穿過的。這個實驗之所以被稱為“理想實驗”，是因為當時找不到這樣的一對理想的狹縫，使我們可以測量電子在狹縫上的反沖動量。

　　在氫分子離子解離同時氦原子電離這一典型的雙電子躍遷碰撞過程中，實驗表明，干涉可以由不同的碰撞機制產生;根據碰撞機制的不同，干涉條紋的式樣以及表征干涉的粒子(電子，反沖，氦原子整體)也不同。如果不區分這些碰撞機制，不同機制產生的干涉條紋相互掩蓋，測量結果無干涉特征(圖1第一行，第四行);如果選擇電子-電子碰撞為主導機制，干涉條紋主要表現在電子譜與動量轉移(氦原子)譜中(圖1第二行);如果選擇電子-原子核碰撞為主導機制，楊氏雙縫干涉條紋表征在反沖譜與動量轉移譜中(圖1第三行)。由于在激發過程中，氫分子離子的宇稱由偶態躍遷到奇態，導致觀測到的干涉條紋與光學楊氏雙縫條紋具有相反的相位，這一現象在光學楊氏干涉中不存在。實驗同時證實了干涉條紋間距與狹縫間距(分子軸長)之間的關系(圖2)。當分子軸長增大時，干涉條紋間距變窄;反之，干涉條紋間距增大。這一現象是楊氏雙縫干涉所獨有的。

　　此項研究的反應過程中，“雙縫”在干涉的過程中的量子態發生了躍遷，相應的干涉條紋也發生了躍遷。實驗結果支持Bohr對于愛因斯坦理想雙縫實驗的解釋。

　　相應結果被推薦為Highlighted articles發表在Physical Review Letters。

圖1 分子坐標系中垂直束流平面內不同粒子的二維動量圖譜。電子(左列)，反沖離子(中列)，以及氦原子整體(右列)二維動量分布(從上而下，采用了不同的動力學條件)。

圖2 動量轉移譜上干涉條紋間距隨核間距的變化。a) 大核間距情況;b)小核間距情況;c)a與b的x坐標投影;d)分子坐標系定義。