（注意，前方高能烧脑…）量子力学有一个叫做测不准原理的东西。这说明有一对属性不能同时被任意精度所知。这不是由于测量改变了测量的性质。相反这是由于量子力学迫使我们进行测量。
图片：Christopher Gutiérrez, Daniel Walkup/NIST
不确定性原理曾经被讨论过，它只会在原则上引起问题。但自上世纪80年代以来，物理学家一直在测量与不确定性原理相碰撞的测量。这些曾经是非常耗时且困难的测量，只有少数实验室能做到。二十年后我们正在考虑大量生产传感器，这些传感器将受到不确定性原理的限制。
避免不确定性原理现在是一个物理的家庭作业。这样做的方法是更仔细地检查你想要的测量方法。例如振荡器的位置和动量受不确定性原理的约束。但两个振子的相对位置和动量不是。根据最近发表在《自然》杂志上的一组国际研究人员的说法，通过确保你的测量设备依赖于相对的测量，你可以获得相当大的优势。
不确定性是生存的原则
想想这样的不确定原理：如果我想知道一个电子的位置，那么我就可以用激光照亮一个电子的路径，记录下我看到电子散射的那一瞬间。我知道在那个特定的时间，电子在激光束中。但是我对电子的速度(动量，真的)一无所知。
为了测量电子的动量，需要做一个不同的测量。现在让我们更聪明地利用散射到电子的方向来记录电子的动量。如果激光束是一束漂亮的平行光束，只有单一的颜色，那么光束中的光子都具有相同的动量。我可以记录散射光的角度，非常准确地知道电子的动量，因为我非常准确地知道光子动量。但是为了提高测量精度，需要一个直径较小的激光束
在某种程度上实现这一目标的唯一途径，这适用于所有测量技术——就是聚焦激光束。一旦激光束聚焦（激光就由光子组成）有一系列的动量，不知道哪个光子分散在电子上。因此随着位置测量精度的提高，动量测量的精度也随之降低。
你甚至可以忽略现实，把激光束聚焦到一个点上：现在你知道电子的位置比你最狂野的梦想更精确，但你对它的动量一点也不知道。不管你设计什么样的测量方案，你都会遇到同样的问题。
负质量超流体（Physical Review）
把确定性从不确定性中拉出来
在很多情况下知道我们测量的东西的位置和动量的变化就足够了。不过要改变什么呢?如果我们测量一个振荡器的变化(想想摇摆)，那么不确定原理就可以被规避。换句话说为了避免不确定性原理，我们不测量一个振荡的位置和动量——我们测量两个振子的位置和动量的差。这意味着要有两个振荡器和两个测量装置。
对两个振荡器进行测量有其自身的缺点，但主要的缺点是被称为后退操作。然而不确定性原理是微妙的。事实证明一种规避不确定性原理的测量方法也可以通过它避免回行来进行。
那么什么是“反行动”呢?
别再把我推到周围
量子反向操作是测量的不可避免的结果。要想了解背后的行动包括什么，想一下操场上的秋千。你让秋千运动然后想测量秋千的位置。不幸的是秋千一旦移动，就看不见了。所以你要把你的手臂放在摆动的路径上，记录下你感到疼痛的时刻，并尽可能快地收回你受伤的手。秋千继续移动但它的运动已经慢了很多。
当然你可以想象较少的侵入性测量。但重点是没有测量不减缓摆动和改变未来测量结果，这就是反向操作的想法。
为了证明反作用力的避免和不确定原理的失败，自然界的研究者们创造了一个非常小的鼓。他们用激光照射鼓膜，测量鼓皮的振动，实际上他们用一种非常聪明的方法，但原理是相似的。鼓皮的位置是通过光子在反射之前的距离来显示的。
然而每当一个光子被反射时，它就会给鼓一个小小的刺激。这种踢腿有两种可能的结果想象一下，当光子被反射时，鼓皮正在远离光子。结果是，鼓皮最终会移动得更快，光子增加了运动的幅度，如果鼓向光子移动，那么光子的作用减慢了鼓的运动。
测量一个振子而不是两个振子会使事情变得更糟，因为这两种测量都受制于反作用。如果测量的执行方式完全相同，在完全相同的振荡器上，那么在两种情况下的后动作都是相同的，加起来是双倍的麻烦。
然而如果在一个案例中，反行为的标志被撤销了怎么办?然后，一个测量的背部动作将完全取消第二个测量的背部动作。现在你已经有了一种规避不确定性原理的测量，并避免了反向操作。
请否定
扭转背部动作的迹象并不容易。想象一下有两个完全相同的鼓皮，它们以完全相同的方式运动。现在一个接近鼓皮的光子给第一个振子，让它有一点小推力，以激发鼓的运动。光子击鼓的第二个击鼓也是计时的刺激鼓的运动(记住所有的东西都是一样的)。但是它的作用需要减缓鼓皮的作用。
如果一个振子的质量为负，则反向作用将产生相反的效果。不幸的是像鼓皮这样的机械振子总是有一个正质量。
幸运的是，量子力学并没有说明振荡器的物理结构。只要它们在数学上是相同的，那就足够好了。为了获得一个负质量的振子，研究人员转向了铯的气体。铯原子，有正确的准备，将使它们的自旋动量保持一致。每一个原子都像一个顶部一样旋转，旋转轴的方向围绕一些中心方向旋转。原子的自旋取向的集体运动形成一个振荡器。结果是，如果我们应用一个与集体自旋相一致的磁场，那么这个振子就像它有一个正的质量一样。质量是由磁场的强度决定的。
反向的质量是通过改变磁场方向产生的。旋转的振荡和以前一样，但是现在，一个让振荡器感到兴奋的测量实际上抑制了它。
负质量实现。
不是为了获得技术，而是…
简而言之研究人员制作了一个小的鼓皮（保护环境）。用激光探测鼓皮的位置和动量。但是光不是用来测量光的，而是被发送到铯原子上。然后从激光中减去自旋振荡器的位置和动量。因此光只是保持位置和动量的不同，然后测量。
这种测量方法很酷的一点是，研究人员可以通过改变磁场的方向，在负极和正质量的振子之间切换。当背动作增加噪音的时候，当它降低噪音的时候，两者的区别是显著而清晰的。
更妙的是通过调节铯原子周围磁场的强度，研究人员可以改变振荡器的有效质量。也就是说他们从数学上相同的振子开始，然后不断地增加质量差异，看背动作的抵消效果如何。事实证明最好的例子是振荡器，它们之间的差别很小，尽管研究人员并没有确切地解释为什么会这样。
在性能方面，研究人员测量的准确度比不确定性原理的精确度高出约30%。
（图）星系之间还可能存在一种理论上的物质，它们与行星、恒星等普通物质截然不同。这是一种呈现负质量、负能量的“奇异物质”，但科学家仍然不确定它们是否存在于宇宙中
是的，我喜欢不确定性，你为什么问这个?
我很兴奋，因为它展示了量子力学的精妙之处，我们把所有这些想法，比如反作用力和不确定原理都教给了我们。但是通过认真对待它们，而不是像曼特拉斯那样，你可以发现它们是关于物质世界的非常具体的陈述。一旦掌握了这个想法，你就可以用不确定性和反动作来更深层次地理解自然。
至于提高测量灵敏度……这需要一段时间。为了正确地看待它，研究人员需要冷却他们的鼓到液氦温度，而鼓是在一种特殊的膜上，它能保护它不受外部振动噪音的影响。你需要一种铯气体，它能很好地屏蔽外部磁场。该系统最简单的部分可能是激光测量系统，它只需要具有非常高偏振纯度和五个光电二极管的激光，它们都安装在一个非常非常稳定的工作台上。或者说另一种方式，有一些工作要做（小型化）
原作者：Chris Lee
编译：光量子
审校：博科园
