量子力学的基本原理已得到重申。停止印刷。（或者开始发推文。）
2012 年，德国的实验者据称你可以在一次实验中观察到光的波和粒子特性。这一结果违背了波粒二象性原理：波有时可以是粒子（粒子有时可以是波），但绝不能同时是两者。但现在一篇新论文，上个月发表在美国国家科学院院刊重新验证了对偶性，这是丹麦物理学家尼尔斯·玻尔在 20 世纪 20 年代提出的解释量子奥秘的支柱。
量子物理学再次遭受攻击其实并不令人意外。如果二元性真的被推翻，那将令人震惊。玻尔的原理要求在单个实验中波和粒子特性相互排斥，这一原理经受住了许多先前的挑战。二元性是玻尔更普遍的互补原理的一部分，这一原理是他为解决量子力学兴起后困扰物理学的危机而提出的。
当玻尔发明了他著名的氢原子的量子模型1913 年，人们对新量子物理学寄予厚望，马克斯·普朗克1900 年，玻尔的发现解决了关键问题，却没有创造新问题。但玻尔意识到并非如此。他知道他的原子只是一个权宜之计；比氢更复杂的原子需要一种全新的、更彻底的物理理论重塑。正如玻尔和他的追随者，包括维尔纳·海森堡接受了原子的挑战，其他物理学家（尤其是爱因斯坦）更担心辐射的量子方面。这就是波粒二象性之谜如何击垮量子派。
爱因斯坦造成了最大的麻烦。他认为光以粒子（后来称为光子）的形式在空间中传播，尽管所有证据都表明事实并非如此。自 19 世纪初以来，大多数物理学家都认为光由波组成，这要归功于一个著名的实验托马斯·杨杨表示，如果你将光线穿过带有两个狭缝的屏障，照射到屏障后面的表面上，你会看到交替出现的光带和阴影。这是因为穿过不同狭缝的波会相互干扰，导致某些地方变亮，而其他地方变暗。如果光是由粒子组成的，就不会发生这种干扰。
但一个世纪后，爱因斯坦坚持认为只有光子才能解释光电效应，即光照射到金属上会导致金属发射电子。最终，爱因斯坦凭借这篇论文获得了诺贝尔奖，尽管他在 1905 年发表这篇论文时没有人相信他。
但到了 20 世纪 20 年代，爱因斯坦似乎不再那么愚蠢了。X 射线（基本上是高能光）实验表明，它们像粒子一样携带动量。此后不久，其他实验开始表明，电子（据称是粒子）表现出波的性质。
你可能会认为，像粒子一样奇怪的现象——伪装成波——会是一个令人震惊的实验惊喜，让理论家们争相解释它。但正如科学界经常发生的那样，理论家们已经搞清楚了。在这种情况下，先驱理论家是路易·德布罗意他对量子物理学很感兴趣，也是爱因斯坦狭义相对论的粉丝，该理论确立了质量和能量的等价性。
德布罗意对爱因斯坦关于光粒子的理论没有异议。毕竟，光是电磁辐射，或者说是能量。如果能量等于质量，那么光表现出粒子的特性似乎并不奇怪。但德布罗意将这一推理又向前推进了一步。如果能量（波）可以表现得像质量（粒子），那么反过来为什么不行呢？
德布罗意通过认识到频率的重要性而得出了这一见解。普朗克和爱因斯坦的早期研究已经建立了能量与频率的关键量子关系——能量等于频率乘以普朗克常数。换句话说，频率越高的光（或更普遍的电磁能）拥有的能量越多。例如，X射线是一种高能辐射，其频率比可见光高得多（意味着波长短得多）。
因此，德布罗意推断，如果频率与能量有关，而能量与质量是同一事物，那么质量也应该与频率有关。他宣称，因此一定存在“某种周期性过程，其性质目前尚未明确规定，必须将其分配给每个孤立的能量部分”——即粒子。因此，他决定，你可以将“每个物质点的均匀运动……分配给某种波的传播，其相位在空间中的传播速度大于光速。”
哇哦——比光还快？这违背了爱因斯坦的相对论，不是吗？德布罗意指出，在这种情况下不会，因为这些波本身不携带任何能量。然而，这些神秘波的叠加产生了另一种波，其传播速度与粒子完全相同。因此，粒子携带的“传播能量”也可以看作是通过波传输的能量。
德布罗意于 1923 年提出了他的想法，并于 1924 年发表了他的论文。1926 年，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔扩展了波动的概念，用以解释原子中电子的特性，即波力学这一量子物理学版本。
薛定谔认为原子中的电子只是波，它们的轨道由整数个波长组成。但即使在薛定谔之前，海森堡也已经对原子中的电子进行了等效的数学描述，其中电子显然是粒子。尽管新的实验表明电子具有波动性，但所有关于电子是粒子的旧证据仍然成立。光也是如此，当你希望它成为波时，它仍然是波，即使它有时以粒子的形式出现。
面对这些问题，玻尔于 1927 年提出了互补原理。他断言，一些相互排斥的自然观点可能都是正确的，只是不能同时正确。他的主要例子是波粒二象性。在任何给定的实验中，光（或电子）可以是其中一种，但不可能同时是两种。
玻尔用一个著名的思想实验来说明他的观点，这个实验类似于杨对光的波动性的双缝演示。如果屏障上只有一个缝，电子就会像粒子一样运动，在各个点撞击探测器表面，没有表示干涉的明暗带。但如果有第二条缝，电子就会发生干涉，产生干涉带。很简单。
但这里有一个量子陷阱。即使你一次只让一个电子穿过屏障，第二条缝的存在也保证了干涉图样的形成——尽管每个电子只能穿过一条缝。（顺便说一句，在玻尔时代，这只是一个思想实验，但后来的真实实验证实了玻尔是对的。）
玻尔的解释基于这样一个事实：即使电子只穿过一个狭缝，第二个狭缝的存在也意味着你（实验观察者）不知道电子穿过了哪个狭缝。如果你知道这一点，你就会确定它是一个粒子，干涉图样就不会出现。换句话说，你既不能知道电子走哪条路径（使其成为粒子），也不能观察到干涉（使其成为波）。
这正是 2012 年实验所面临的挑战，在一项复杂的实验中（使用光子而不是电子），似乎可以检测到干涉并获取有关光子路径的信息。但这篇由加拿大渥太华大学的 Eliot Bolduc 与渥太华的 Robert Boyd 和纽约罗切斯特大学以及其他合作者共同撰写的新论文重新分析了这一挑战并发现了一个缺陷。
在实际实验中，路径知识和干扰之间的关系由于环境的存在而变得复杂。你不会想在家里算出这些数学题，但最重要的是你可以进行一个既能提供高概率预测路径又能提供高概率观察干扰的实验。你可以选择测量具有最佳路径信息的环境部分，或者测量干扰条纹可见度最高的环境部分。但要测试二元性，你必须确保你的测量对系统的所有可能状态都同样敏感（这一要求称为“公平抽样”）。Bolduc、Boyd 和同事证明 2012 年的实验违反了公平抽样规则。
他们在论文中写道：“我们展示了有偏见的抽样如何导致对偶原理的明显违反。”美国国家科学院院刊“根据我们的分析，标准形式的对偶原理是安全可靠的。”
无论如何，玻尔的互补原理从未受到威胁。2012 年论文的作者之一沃尔夫冈·施莱希 (Wolfgang Schleich) 指出，该论文并没有声称违反互补原理，只是“当人们天真地思考这个原理时，很容易被误导。”施莱希在一封电子邮件中写道，这篇新论文实际上并不与早期的观察相矛盾，只是从不同的角度对其进行了分析。
换句话说，不同的观点可能都是正确的，这正是互补性的意义所在。
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编者注：2014 年 10 月 6 日在这篇文章末尾添加了两段内容，其中包括 2012 年论文作者之一的评论。
