光是一种波。光也是一种粒子。这个现象很特别。我们想看看光怎么和很小的东西一起动。很小的东西是原子。原子是物质的基本单位。我们用一个实验来看。实验里有激光。激光很亮很直。激光照在原子上。原子会动。原子会发光。我们测量原子的位置。我们测量原子的速度。

测量总是不准的。你看一个东西。你看得越仔细。它的位置你知道得越清楚。但是它的速度你就不知道了。你看得不仔细。你知道它大概的速度。但是你不知道它在哪里。这是测量的一个道理。这个道理对什么都成立。对我们眼睛看东西也成立。对科学家用机器测量也成立。

我们想知道原子到底怎么动。原子很小。我们用光看它。光碰到原子。原子就会动。这就像你用一个球去打另一个球。它们会撞开。光看原子也是这样。光让原子动了。我们量到的位置就不是原来的位置。我们量到的速度也不是原来的速度。这给我们带来了麻烦。

我们想了一个办法。我们让光很弱。光弱的时候光子少。光子是光的颗粒。光子少的时候撞到原子的机会少。我们看原子的时间很短。看的时间短打扰就小。我们很快地拍一张照片。我们知道原子在哪里。但我们不知道原子跑得多快。我们多拍几张照片。我们比较照片里原子的位置。我们猜原子怎么动。我们猜的速度可能不对。因为照片之间原子可能跑得快也可能跑得慢。

我们做实验用很冷的原子。原子冷的时候动得慢。动得慢就容易看清楚。我们用激光把原子冻住。激光从四面八方照过来。原子好像陷在泥里。它动起来很费力。它越来越慢。它的温度变得很低。差不多接近最冷的温度。这个时候原子的行为很特别。它像波也像粒子。我们可以用波的性质来帮忙。

我们让原子呆在一个小陷阱里。陷阱是用光或者磁铁做的。原子在陷阱里来回动。它像一个钟摆。我们测量它的能量。能量告诉我们它动得多厉害。能量是量子化的。量子化就是说能量只能是一份一份的。不能是要多少有多少。一份能量像一个台阶。原子只能站在台阶上。不能站在台阶中间。

我们看原子站在哪个台阶上。我们用一个很弱的激光去看。激光的频率我们仔细挑。频率是光的颜色。不同的颜色能量不同。我们让光的能量正好让原子跳一个台阶。原子吸收光。它就从一个台阶跳到更高的台阶。我们看激光。我们数一数有多少光被原子吃了。我们知道原子跳了台阶。我们就知道原子原来在哪个台阶上。

但是我们用光看原子。光会推原子。原子在陷阱里。光推它它就动得更厉害。它的能量就变了。它可能跳到别的台阶上。我们量到的能量就不是原来的能量。这又是不准的。

我们换一个方法量。我们不量原子吃了多少光。我们量原子改变了多少光。光有相位。相位是波的一个性质。像水波的高点和低点。原子碰到光。光的相位会变。我们测量这个相位变化。我们就能知道原子在陷阱里的位置。位置和能量有关系。我们知道位置我们就知道能量。

这个方法好一些。光对原子的打扰小。我们测量光的相位。我们不直接碰原子。我们像在远处听声音。声音传来信息。我们不用碰到那个东西。

我们做这个实验需要很好的设备。我们有单光子探测器。这个探测器能感觉到一个一个的光子。光子很少的时候它也能工作。我们还有干涉仪。干涉仪让两束光碰在一起。它们互相加强或者互相抵消。我们看它们怎么干涉。我们就能知道光的相位变了多少。

实验的结果是很多数字。我们记录光子到达的时间。我们看它们的分布。我们用一个公式来算。算出原子的能量。我们重复很多次。我们得到很多个能量值。我们看这些值是不是都是一份一份的。我们看我们的测量有没有让能量变掉。

我们发现我们可以量得很准。我们的测量对原子的打扰很小。原子的能量大部分时候还在原来的台阶上。我们证明了这种方法是好的。这种方法可以用来做量子计算机。量子计算机用原子或者别的小东西来算数。它们算得很快。但是它们很怕打扰。我们的测量方法打扰小。所以对量子计算机好。

我们也看了别的现象。原子在陷阱里振动。它的频率会变。如果我们量得很频繁。它的频率就变得不确定。如果我们量得不频繁。我们就不知道它中间发生了什么。我们找到了一个最好的测量次数。不多也不少。这样我们知道得最多。我们打扰得最少。

这个研究用了很多数学。数学帮我们写下了公式。公式告诉我们怎么算。我们相信公式是对的。然后我们做实验来验证。实验和公式对得上。我们很高兴。

我们还想到了以后可以做什么。我们可以用这个方法看很多个原子。它们在一起会互相影响。它们会变得一样。像一群士兵一起走。它们的状态很特别。我们想测量它们的状态。我们不能一个一个地看。那样会打扰它们。我们要一起看。用一束光照它们全体。看光的变化。这可能更难。但是我们的方法给了我们希望。

我们的实验是在一个很安静的房间里做的。房间没有震动。声音很小。空气很干净。温度不变。这样别的东西就不会打扰我们的原子。我们让原子孤零零的。我们只让我们的激光和它说话。

激光的功率我们控制得很准。功率是光的强弱。我们用一个控制器来控制。控制器像水龙头。它让光流出来多少很精确。光的颜色我们也控制得很准。我们用一个叫光栅的东西。它像筛子。只让一种颜色的光通过。

我们花了很多时间调整光路。让激光直直地走。照到我们想要的地方。镜子有一点歪都不行。透镜必须干净。灰尘会让光散开。我们戴手套。我们小心地弄。

我们收集数据用电脑。电脑记下探测器收到的信号。信号是很多电脉冲。每一个脉冲代表一个光子。电脑记下光子来的时间。时间很精确。到纳秒。纳秒是非常短的时间。一秒钟有十亿个纳秒。

数据很多。我们写程序分析。程序检查数据对不对。程序把数据变成图。我们看图就知道原子在干什么。有时候数据很乱。我们就知道那天实验没做好。可能外面有卡车过去。震动了桌子。我们只好重做。

这个工作做了三年。我们试了很多次。我们改了很多次设备。我们终于得到了想要的结果。我们写了论文。论文里有图有表。我们解释了做了什么。我们说明了为什么重要。别人可以重复我们的实验。他们可以用我们的方法。

物理学研究很小的东西。也研究很大的东西。星星宇宙很大。原子光子很小。它们都遵守一样的规律。我们的实验研究了小东西的规律。这个规律很基本。它决定了世界怎么工作。我们想知道它。