我們能操控粒子的形狀嗎？

秦泥萌

瑞士科學(xué)家拍攝的光同時(shí)表現(xiàn)波粒二象性的照片。

德國烏爾姆大學(xué)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

德國小組的實(shí)驗(yàn)樣品——單個(gè)氮“缺陷”的人造鉆石

我們?yōu)槭裁茨芸吹轿宀世_紛的世界？這是因?yàn)殛柟獾拇嬖?，有了光，我們才能看到紅花綠葉、碧海藍(lán)天。紅花綠葉是什么樣子，我們可以用許多生動(dòng)的詞匯去描述它們，即使沒有見到這些東西的人也能通過我們的描述去想象出來。但是，讓我們看到這一切的東西，光線，它是什么樣子的呢？我們應(yīng)該怎么描述它？

光的波動(dòng)性和粒子性由什么決定？

要描述日常生活中常見的東西，我們有許多方法，形狀、顏色、大小等，通過這些性狀，即使是沒見過這些物品的人也能將物品對(duì)號(hào)入座。但是對(duì)于看不見的粒子，我們卻存有許多疑惑，例如最常見的光，我們對(duì)它的描述就有過多次的反復(fù)。

牛頓根據(jù)光遇到光滑的平面會(huì)發(fā)生反射的現(xiàn)象，提出了光微粒說，他認(rèn)為光微粒就像宏觀的小球一樣，遵守力學(xué)運(yùn)動(dòng)定律，遇到阻礙會(huì)發(fā)生反彈。惠更斯覺得不可思議，光明明是一束束的，怎么可能是微粒？他認(rèn)為光是一種波，提出了光波動(dòng)說。當(dāng)然我們現(xiàn)在知道，光同時(shí)具有波和粒子的雙重性質(zhì)，也就是“波粒二象性”。

直到2015年，瑞士的科學(xué)家終于通過實(shí)驗(yàn)拍攝到了光同時(shí)表現(xiàn)波粒二象性的照片。在照片中，兩列光波在空中相遇時(shí)會(huì)發(fā)生疊加，出現(xiàn)條紋，當(dāng)科學(xué)家向光波發(fā)射電子流時(shí)，電子撞擊到光子，速度發(fā)生了改變，光波也變成了“顆粒狀”。

但是，光不會(huì)同時(shí)表現(xiàn)波動(dòng)性和粒子性，當(dāng)光波相遇時(shí)會(huì)發(fā)生疊加，出現(xiàn)條紋，而不是碰撞后消失，這時(shí)光的波動(dòng)性超越了粒子性;當(dāng)光波碰到電子流，會(huì)發(fā)生“碰撞”，改變電子的速度，光的粒子性又壓倒了波動(dòng)性展現(xiàn)出來。這兩個(gè)性質(zhì)就猶如“東風(fēng)”和“西風(fēng)”，不斷爭奪著主導(dǎo)權(quán)，那么光的波動(dòng)性和粒子性究竟孰強(qiáng)孰弱，這由什么決定呢？

環(huán)境影響粒子的狀態(tài)

如果想要解開這個(gè)謎團(tuán)，就只能繼續(xù)做實(shí)驗(yàn)了。當(dāng)然，這樣的實(shí)驗(yàn)是非常難做的，德國烏爾姆大學(xué)的一個(gè)研究小組絞盡腦汁，終于“看到”了決定粒子狀態(tài)的過程。

他們將鉆石中的一個(gè)碳原子替換成了氮原子。我們知道，原子間的作用力（也叫做化學(xué)鍵）就是電子兩兩成對(duì)的靜電作用力，而氮原子比碳原子要多一個(gè)電子，在氮原子取代了鉆石中原來的碳原子之后，氮原子多出來的一個(gè)電子就找不到電子跟它成鍵，它成為了“孤獨(dú)”的個(gè)體。

在鉆石的晶格中，化學(xué)鍵中成對(duì)的電子彼此的自旋（自旋是粒子的基本性質(zhì)，因自旋而產(chǎn)生磁場(chǎng)）狀態(tài)是相反的，這樣它們產(chǎn)生的磁場(chǎng)力可以相互抵消，更加穩(wěn)定。但是孤獨(dú)的電子因?yàn)闆]有配對(duì)的對(duì)象，它擁有著自旋的自由，可能頭朝上，也可能頭朝下。

但是，這個(gè)孤獨(dú)的電子卻不是真正意義上的“孤獨(dú)”。

鉆石雖然是碳原子組成的單質(zhì)，但是并不全是“碳12”原子，還有大約0.3%的“碳13”（碳的同位素之一，它比常見的“碳12”多一個(gè)中子），“碳12”的原子核是電力和磁力都平衡的穩(wěn)定原子核，但是“碳13”的原子核磁力并不平衡，它的磁力會(huì)影響到“孤獨(dú)電子”的自旋狀態(tài)。

科研小組發(fā)現(xiàn)，平均每個(gè)“孤獨(dú)電子”會(huì)和附近的四個(gè)“碳13”原子核產(chǎn)生相互吸引的磁力，自旋方向受到“碳13”原子的影響，它的自旋方向是固定的，不再那么自由，而且檢測(cè)越多的“碳13”原子包圍圈，孤獨(dú)電子的自旋方向越確定，這說明我們可以通過檢測(cè)環(huán)境的狀態(tài)預(yù)測(cè)到粒子的狀態(tài)了。

幾乎同時(shí)，中國和意大利的科學(xué)家也分別獨(dú)立構(gòu)建了另一種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣證明了，粒子的狀態(tài)會(huì)受到周邊環(huán)境的影響。

通過這些實(shí)驗(yàn)，我們可以得到這樣的結(jié)論，盡管量子世界的粒子們的很多性狀我們還不知道為什么這樣呈現(xiàn)，但是，粒子的最終優(yōu)勢(shì)狀態(tài)，是周邊環(huán)境“選擇”出來的。就像鉆石中的“孤獨(dú)電子”，它的自旋狀態(tài)會(huì)受到其周圍的四個(gè)“碳13”原子核的影響一樣，光的波動(dòng)性和粒子性誰更占優(yōu)勢(shì)，也會(huì)受到周邊環(huán)境的影響。

那么，未來我們可以改變粒子的性狀嗎？比如改變光粒子的優(yōu)勢(shì)狀態(tài)、鈾粒子的衰變時(shí)間，甚至改變反粒子所帶的電荷？也許這一切都可能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楦淖兞Ｗ拥闹苓叚h(huán)境，我們就可能控制粒子的性狀。