負質量擺動比不確定原理更重要？

（注意，前方高能燒腦…）量子力學有一個叫做測不準原理的東西。這說明有一對屬性不能同時被任意精度所知。這不是由於測量改變了測量的性質。相反這是由於量子力學迫使我們進行測量。

圖片：Christopher Gutiérrez, Daniel Walkup/NIST

不確定性原理曾經被討論過，它只會在原則上引起問題。但自上世紀80年代以來，物理學家一直在測量與不確定性原理相碰撞的測量。這些曾經是非常耗時且困難的測量，只有少數實驗室能做到。二十年後我們正在考慮大量生產感測器，這些感測器將受到不確定性原理的限制。

避免不確定性原理現在是一個物理的家庭作業。這樣做的方法是更仔細地檢查你想要的測量方法。例如振蕩器的位置和動量受不確定性原理的約束。但兩個振子的相對位置和動量不是。根據最近發表在《自然》雜誌上的一組國際研究人員的說法，通過確保你的測量設備依賴於相對的測量，你可以獲得相當大的優勢。

不確定性是生存的原則

想想這樣的不確定原理：如果我想知道一個電子的位置，那麼我就可以用激光照亮一個電子的路徑，記錄下我看到電子散射的那一瞬間。我知道在那個特定的時間，電子在激光束中。但是我對電子的速度(動量，真的)一無所知。

為了測量電子的動量，需要做一個不同的測量。現在讓我們更聰明地利用散射到電子的方向來記錄電子的動量。如果激光束是一束漂亮的平行光束，只有單一的顏色，那麼光束中的光子都具有相同的動量。我可以記錄散射光的角度，非常準確地知道電子的動量，因為我非常準確地知道光子動量。但是為了提高測量精度，需要一個直徑較小的激光束

在某種程度上實現這一目標的唯一途徑，這適用於所有測量技術——就是聚焦激光束。一旦激光束聚焦（激光就由光子組成）有一系列的動量，不知道哪個光子分散在電子上。因此隨著位置測量精度的提高，動量測量的精度也隨之降低。

你甚至可以忽略現實，把激光束聚焦到一個點上：現在你知道電子的位置比你最狂野的夢想更精確，但你對它的動量一點也不知道。不管你設計什麼樣的測量方案，你都會遇到同樣的問題。

負質量超流體（Physical Review）

把確定性從不確定性中拉出來

在很多情況下知道我們測量的東西的位置和動量的變化就足夠了。不過要改變什麼呢?如果我們測量一個振蕩器的變化(想想搖擺)，那麼不確定原理就可以被規避。換句話說為了避免不確定性原理，我們不測量一個振蕩的位置和動量——我們測量兩個振子的位置和動量的差。這意味著要有兩個振蕩器和兩個測量裝置。

對兩個振蕩器進行測量有其自身的缺點，但主要的缺點是被稱為後退操作。然而不確定性原理是微妙的。事實證明一種規避不確定性原理的測量方法也可以通過它避免回行來進行。

那麼什麼是「反行動」呢?

別再把我推到周圍

量子反向操作是測量的不可避免的結果。要想了解背後的行動包括什麼，想一下操場上的鞦韆。你讓鞦韆運動然後想測量鞦韆的位置。不幸的是鞦韆一旦移動，就看不見了。所以你要把你的手臂放在擺動的路徑上，記錄下你感到疼痛的時刻，並儘可能快地收回你受傷的手。鞦韆繼續移動但它的運動已經慢了很多。

當然你可以想像較少的侵入性測量。但重點是沒有測量不減緩擺動和改變未來測量結果，這就是反向操作的想法。

為了證明反作用力的避免和不確定原理的失敗，自然界的研究者們創造了一個非常小的鼓。他們用激光照射鼓膜，測量鼓皮的振動，實際上他們用一種非常聰明的方法，但原理是相似的。鼓皮的位置是通過光子在反射之前的距離來顯示的。

然而每當一個光子被反射時，它就會給鼓一個小小的刺激。這種踢腿有兩種可能的結果想像一下，當光子被反射時，鼓皮正在遠離光子。結果是，鼓皮最終會移動得更快，光子增加了運動的幅度，如果鼓向光子移動，那麼光子的作用減慢了鼓的運動。

測量一個振子而不是兩個振子會使事情變得更糟，因為這兩種測量都受制於反作用。如果測量的執行方式完全相同，在完全相同的振蕩器上，那麼在兩種情況下的後動作都是相同的，加起來是雙倍的麻煩。

然而如果在一個案例中，反行為的標誌被撤銷了怎麼辦?然後，一個測量的背部動作將完全取消第二個測量的背部動作。現在你已經有了一種規避不確定性原理的測量，並避免了反向操作。

請否定

扭轉背部動作的跡象並不容易。想像一下有兩個完全相同的鼓皮，它們以完全相同的方式運動。現在一個接近鼓皮的光子給第一個振子，讓它有一點小推力，以激發鼓的運動。光子擊鼓的第二個擊鼓也是計時的刺激鼓的運動(記住所有的東西都是一樣的)。但是它的作用需要減緩鼓皮的作用。

如果一個振子的質量為負，則反向作用將產生相反的效果。不幸的是像鼓皮這樣的機械振子總是有一個正質量。

幸運的是，量子力學並沒有說明振蕩器的物理結構。只要它們在數學上是相同的，那就足夠好了。為了獲得一個負質量的振子，研究人員轉向了銫的氣體。銫原子，有正確的準備，將使它們的自旋動量保持一致。每一個原子都像一個頂部一樣旋轉，旋轉軸的方向圍繞一些中心方向旋轉。原子的自旋取向的集體運動形成一個振蕩器。結果是，如果我們應用一個與集體自旋相一致的磁場，那麼這個振子就像它有一個正的質量一樣。質量是由磁場的強度決定的。

反向的質量是通過改變磁場方向產生的。旋轉的振蕩和以前一樣，但是現在，一個讓振蕩器感到興奮的測量實際上抑制了它。

負質量實現。

不是為了獲得技術，而是…

簡而言之研究人員製作了一個小的鼓皮（保護環境）。用激光探測鼓皮的位置和動量。但是光不是用來測量光的，而是被發送到銫原子上。然後從激光中減去自旋振蕩器的位置和動量。因此光只是保持位置和動量的不同，然後測量。

這種測量方法很酷的一點是，研究人員可以通過改變磁場的方向，在負極和正質量的振子之間切換。當背動作增加噪音的時候，當它降低噪音的時候，兩者的區別是顯著而清晰的。

更妙的是通過調節銫原子周圍磁場的強度，研究人員可以改變振蕩器的有效質量。也就是說他們從數學上相同的振子開始，然後不斷地增加質量差異，看背動作的抵消效果如何。事實證明最好的例子是振蕩器，它們之間的差別很小，儘管研究人員並沒有確切地解釋為什麼會這樣。

在性能方面，研究人員測量的準確度比不確定性原理的精確度高出約30%。

（圖）星系之間還可能存在一種理論上的物質，它們與行星、恆星等普通物質截然不同。這是一種呈現負質量、負能量的「奇異物質」，但科學家仍然不確定它們是否存在於宇宙中

是的，我喜歡不確定性，你為什麼問這個?

我很興奮，因為它展示了量子力學的精妙之處，我們把所有這些想法，比如反作用力和不確定原理都教給了我們。但是通過認真對待它們，而不是像曼特拉斯那樣，你可以發現它們是關於物質世界的非常具體的陳述。一旦掌握了這個想法，你就可以用不確定性和反動作來更深層次地理解自然。

至於提高測量靈敏度……這需要一段時間。為了正確地看待它，研究人員需要冷卻他們的鼓到液氦溫度，而鼓是在一種特殊的膜上，它能保護它不受外部振動噪音的影響。你需要一種銫氣體，它能很好地屏蔽外部磁場。該系統最簡單的部分可能是激光測量系統，它只需要具有非常高偏振純度和五個光電二極體的激光，它們都安裝在一個非常非常穩定的工作台上。或者說另一種方式，有一些工作要做（小型化）

原作者：Chris Lee

編譯：光量子，審校：博科園

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