极限之限：物理学中“突破极限”的几种途径

物理研究和体育竞技一样，都追求突破极限。如何突破由基本物理原理设下的极限，是研究者的重要目标。每一次“突破极限”，也通常反映了相关领域的重大突破。例如，超分辨光学成像突破了衍射极限，因而获得2014年诺贝尔化学奖。

那么，极限的边界到底在哪里？怎样才能突破极限？

最近，清华大学刘永椿副教授、中国科学技术大学黄坤研究员、北京大学肖云峰教授、美国华盛顿大学圣路易斯分校杨兰教授和新加坡国立大学仇成伟教授在《国家科学评论》(National Science Review，NSR) 发表题为“What limits limits?”的观点(Perspective)文章，对物理系统中常见的各种极限进行总结，并指出了“突破极限”的三种情况。

“突破极限”的三种情况

种情况是所突破的极限是技术性极限而非由物理学原理限制的基本极限，例如标准量子极限是用经典技术手段所能达到的极限，而利用量子技术（如引入压缩态或纠缠态）则可以突破该极限。

这就像是在公路上有一堵本身就带有漏洞的破墙，只要选择合适的技术，就可以突破。

第二种情况是需要付出其他代价、牺牲其他性能才能突破极限，例如超分辨成像技术能够突破衍射极限，但要以消耗大量时间为代价。

这就像是需要在收费站交费，才能通行。

第三种情况是通过改变极限存在的前提条件使得原极限不再适用，例如文献上有一些关于突破海森堡极限、时间带宽极限、超表面效率极限等方面的报道，在阅读这类文献时，需要仔细区分所研究的极限和原始极限是不是定义在同样的前提条件下。

这就像是，挡住公路的墙本身宽度有限，人们虽然不能穿墙而过，但可以绕过这堵墙，继续前进。

关于标准量子极限(a-b)、衍射极限(c-d)、海森堡极限(e-f)、时间带宽极限(g-j)和超表面效率极限(k)的图示和分析。

文章梳理和分析了光学和量子物理中的常见极限，包括标准量子极限、衍射极限、海森堡极限、时间带宽极限和超表面效率极限（如上图），澄清了一些认识上的误区，有助于更准确地理解“突破极限”到底是怎样实现的。