时间维度上的双缝实验

蔻享学术 2023-08-02

The following article is from 原理 Author 小雨

经典双缝实验

200多年前，英国科学家托马斯·杨（Thomas Young）进行了著名的“双缝实验”。

在最初的设置中，杨将一束光照射到一块不透明的屏幕上，屏幕上有两个完全相同的平行狭缝，屏幕后方放置着用于探测穿过的光的探测器。他观察到，穿过狭缝的光形成了一种明暗相间的条纹图样。

那时，这一实验表明，光具有波的性质。这些干涉图案是由光波在穿过两个狭缝时，在屏幕的另一侧相互干涉形成的：当波峰与波峰对齐时，就会产生明亮的条纹；当波峰与波谷对齐时，两者抵消，产生暗淡的条纹。

到了20世纪，物理学家意识到，这个实验不仅可以用来证明光是一种波，也能用来证明光是一种粒子。光子一次一个地抵达探测器，逐渐形成条纹干涉图样。

但科学家发现，即使一次只发射一个光子，干涉图案也仍会出现，就好像一个光子同时穿过了两个狭缝一样。这些实验对量子物理学产生了深远的影响，它们不仅揭示了光的波粒二象性，还揭示了电子、中子等其他粒子的波粒二象性。

在一项近日发表于《自然物理》杂志的新研究中，一个物理学家团队为经典的双缝实验增添了新的变化：他们利用一面可以快速开启和关闭的镜子，将空间上的狭缝转换成了时间上的“狭缝”，得到了一种新的颜色的干涉图样，实现了双缝实验的时间版本。

时间上的狭缝

在这项研究中，物理学家用红外激光照射了由金和玻璃层构成的平面，平面上覆盖了一层薄薄的名为铟锡氧化物（ITO）的涂层。这是一种常被用于制成智能手机的屏幕的超构材料，它可以被设计成具有自然界中没有的特性，比如能够对光进行极其精细的控制。

在通常情况下，ITO对红外光是透明的。但研究人员可以利用第二激光激发ITO中的电子，改变其光学特性，增强这种材料的反射率。如果把光看作粒子，那么当光子在反射率增强时抵达这个涂有ITO的平面，那么光子就可能被反射。

如果研究人员只在一些特定的时间上，比如当透明的ITO在第一次、第二次变成反射的镜子时，让光子连续通过，这就相当于在时间上创造出了两个“狭缝”。

颜色的干涉

那么，这些时间上的“狭缝”对光有什么影响呢？光的波动性质意味着，这些光子在某种意义上是被两个时间上的狭缝反射的，这就会产生干涉。

在实验中，研究人员通过激光，以1飞秒（1× 10-15秒）的超快时间尺度改变ITO的反射率。他们沿着光束的反射路径放置了一个探测器，捕捉被反射回来的光子。当研究人员观测连续两次快速提高ITO的反射率的情况时，他们看到两次反射的光的波形发生了变化——从一个简单的单色波变成了更复杂的波，那些抵达探测器的光，产生了不同的颜色图样。

具体来说，他们观察到，时间的狭缝改变了抵达探测器的光的频率，进而改变了光的颜色。这些相互干涉的光的颜色通过某些增强和抵消，产生了一种有别于经典实验中的明暗条纹的干涉图样。在这种干涉图样中，颜色的变化量与屏幕反射率的变化速度有关，这些变化的时间尺度必须与光波的单个周期长度相当，即在飞秒之间。

从空间到时间

双缝实验的时间版本是波动物理学的一个漂亮演示，它展示了我们可以如何将干涉的概念从空间领域转换到时间领域。这为一种全新的光谱学打开了大门。

此外，这一实验还有助于物理学家更好地理解那些可以精确控制光在空间和时间中的行为的材料。一个令人兴奋的结果是，研究人员发现，ITO的光学性质能够以远超预期的速度快速改变，这种快速的切换将有可能带来即时反射信号的设备。

接下来，研究人员想要在“时间晶体”中探索这种现象，这种晶体类似于原子晶体，但其光学性质可以随时间变化。

#创作团队：

撰文：小雨

排版：雯雯

#参考来源：

https://theconversation.com/famous-double-slit-experiment-recreated-in-fourth-dimension-by-physicists-203060

https://www.imperial.ac.uk/news/244037/double-slit-experiment-that-proved-wave-nature/

https://www.nature.com/articles/d41586-023-00968-4

https://www.nature.com/articles/s41567-023-01993-w