海森堡不確定性原理告訴我們，自然界存在著一種基本的不可知性——一種對我們測量宇宙的精確度的絕對限制。該原理提出，存在著一對屬性，我們不可能同時精確地知道：對粒子位置的完全了解意味著它的動量是不確定的；而對它能量的精確測量意味著它在時間上的位置在量子力學(xué)中是模糊的。在量子力學(xué)中，我們將這些屬性對稱為互補變量。不確定性原理告訴我們，當(dāng)我們將這些屬性對相乘時，它一定總是大于某個特定的但特別小的數(shù)字。

1920年代，海森堡在發(fā)明他的矩陣力學(xué)時就發(fā)現(xiàn)了測不準(zhǔn)原理。但是，當(dāng)海森堡第一次提出這種關(guān)系時，他并沒有意識到這個原理是如此基本的，當(dāng)時他考慮的是用光子測量粒子的位置會發(fā)生什么。他推斷光子會給粒子一個動量沖擊，這就解釋了測量后其動量的更大不確定性。為了更精確地測量位置，將需要一個更高能量的光子，但是它會把被測量粒子踢得更遠(yuǎn)，導(dǎo)致動量的不確定性變得更大。基本上，他認(rèn)為測不準(zhǔn)原理的產(chǎn)生是由于測量干擾了系統(tǒng)。

海森堡的不確定性原理使我們無法同時了解有關(guān)量子態(tài)的所有信息，但有時我們也可以超越海森堡的極限，因為有時我們更關(guān)心的只有其中一個屬性。不確定性原理對互補性質(zhì)的不確定性乘積設(shè)置了一個下限，如果我們只關(guān)心粒子的位置，原則上我們可以非常精確地測量它，只要我們不知道它的動量而已。但是，這并不是一件簡單的事情，因為正常的量子態(tài)傾向于在互補的屬性之間均勻地分擔(dān)不確定性。在過去的幾十年里，我們開發(fā)了理論和技巧，使我們能夠操縱量子態(tài)來突破不確定性原理的極限，我們將以LIGO為例。(www.wS46.com)

LIGO提高探測引力波的精度

在這種情況下，所討論的互補變量不是位置和動量，而是變成相位和振幅。為了提高我們探測微弱引力波的能力，我們需要減少激光束相位的不確定性，這將使我們能夠更完美地排列這些波以減少量子漲落。我們不太關(guān)心振幅的不確定性。

在LIGO中，光的相位被壓縮，以增加振幅的不確定性為代價提高了精度。這種相位壓縮是通過量子糾纏來實現(xiàn)的，激光通過非線性晶體的特殊材料發(fā)射，這種材料將入射光子轉(zhuǎn)換成成對的光子。這些發(fā)出的光子具有糾纏相位，它們的波峰和波谷的位置是相關(guān)的。這些光子對被送到干涉儀的不同臂上，當(dāng)它們重新組合時，它們的相位仍然有量子漲落，但兩束光之間的漲落現(xiàn)在是相關(guān)的，所以它們可以更完美地抵消。由于隨機相移導(dǎo)致的閃爍減少，這意味著我們可以看到由更微弱引力波引起的真實信號。

當(dāng)然，為了提高相位精度，總是要付出代價的，那就是激光束中傳輸?shù)恼穹牟淮_定性。但這也引入了另一種噪聲——輻射壓力噪聲，不過這種噪聲比相位不確定性的問題要小得多。凡事都有代價，但如果你把不確定性投資在正確的地方，這個代價是值得的。

寫在最后

這種壓縮光的使用只是量子力學(xué)如何用于提高測量精度的一個例子，科學(xué)家們已經(jīng)在其他系統(tǒng)中證明了同樣的原理，比如糾纏原子鐘，這可能會在某一天大大提高我們北斗衛(wèi)星的定位精度。我們測量世界的能力是有極限的，但只要我們愿意改變一些基本定律（比如不確定性原理），我們就可以將極限推到我們認(rèn)為可能的范圍之外，從而對這個不確定的時空進(jìn)行更加確定的測量。