近代物理所首次实现了爱因斯坦提出的双狭缝“理想实验”

　　中科院近代物理研究所与德国马普核物理所科研人员开展合作研究，利用反应显微成像谱仪，采用逆运动学原理，用移动的“狭缝”(H2+)与He原子碰撞，通过记录氦原子碎片的动量分布，研究对应碎片的杨氏双缝干涉现象，首次实现了爱因斯坦提出的双狭缝“理想实验”。

　　杨氏双缝干涉实验揭示了光子的波粒二象性，是建立量子理论的基石之一，费曼称之蕴含量子力学唯一的秘密。以玻尔为代表的哥本哈根学派利用不确定原理对这一现象给出了自洽的解释，提出我们不能同时测到光子的轨迹和相位。但是，爱因斯坦认为一个完备理论必须能够准确地描述物理实在的每个要素，并提出了一个“理想实验”：在电子的杨氏双缝实验中，通过测量电子在狭缝上散射后的动量，理论上可以推测出电子的轨迹，这种测量并不会破坏粒子的相位——因此我们可以在得到干涉条纹的同时知道粒子是从哪个狭缝上穿过的。这个实验之所以被称为“理想实验”，是因为当时找不到这样的一对理想的狭缝，使我们可以测量电子在狭缝上的反冲动量。

　　在氢分子离子解离同时氦原子电离这一典型的双电子跃迁碰撞过程中，实验表明，干涉可以由不同的碰撞机制产生;根据碰撞机制的不同，干涉条纹的式样以及表征干涉的粒子(电子，反冲，氦原子整体)也不同。如果不区分这些碰撞机制，不同机制产生的干涉条纹相互掩盖，测量结果无干涉特征(图1第一行，第四行);如果选择电子-电子碰撞为主导机制，干涉条纹主要表现在电子谱与动量转移(氦原子)谱中(图1第二行);如果选择电子-原子核碰撞为主导机制，杨氏双缝干涉条纹表征在反冲谱与动量转移谱中(图1第三行)。由于在激发过程中，氢分子离子的宇称由偶态跃迁到奇态，导致观测到的干涉条纹与光学杨氏双缝条纹具有相反的相位，这一现象在光学杨氏干涉中不存在。实验同时证实了干涉条纹间距与狭缝间距(分子轴长)之间的关系(图2)。当分子轴长增大时，干涉条纹间距变窄;反之，干涉条纹间距增大。这一现象是杨氏双缝干涉所独有的。

　　此项研究的反应过程中，“双缝”在干涉的过程中的量子态发生了跃迁，相应的干涉条纹也发生了跃迁。实验结果支持Bohr对于爱因斯坦理想双缝实验的解释。

　　相应结果被推荐为Highlighted articles发表在Physical Review Letters。

图1 分子坐标系中垂直束流平面内不同粒子的二维动量图谱。电子(左列)，反冲离子(中列)，以及氦原子整体(右列)二维动量分布(从上而下，采用了不同的动力学条件)。

图2 动量转移谱上干涉条纹间距随核间距的变化。a) 大核间距情况;b)小核间距情况;c)a与b的x坐标投影;d)分子坐标系定义。