我们公众号之前转发过一篇《物理学家创造出“负质量”：你推它，它反而扑向你》。尽管文中也较为详细介绍“负质量”的实际指代，但是标题和前面介绍具有一定误导，这次借原理公众号和科研圈公众号的内容正本清源，同时学习“有效质量”这一概念。
最近，“负质量”流体又把物理学颠覆了一回：科学家观测到“负质量”流体，彻底颠覆物理学——《独立报》（英国）。
物理学家制造出不可思议的“负质量”流体，有助解决黑洞之谜——《每日电讯报》（英国）。
这些给物理学带来“灭顶之灾”的新闻都是报道最近发表在物理界权威期刊 Physics Review Letters（PRL）上的这篇论文【标题】Negative mass hydrodynamics in a Spin-Orbit-Coupled Bose-Einstein Condensate（一种自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体的负质量流体力学）【作者】Michael McNeil Forbes et al.【期刊】Phys. Rev. Lett. 118, 155301 (2017)【日期】2017.4.10【摘要】A negative effective mass can be realized in quantum systems by engineering the dispersion relation. A powerful method is provided by spin-orbit coupling, which is currently at the center of intense research efforts. Here we measure an expanding spin-orbit coupled Bose-Einstein condensate whose dispersion features a region of negative effective mass. We observe a range of dynamical phenomena, including the breaking of parity and of Galilean covariance, dynamical instabilities, and self-trapping. The experimental findings are reproduced by a single-band Gross-Pitaevskii simulation, demonstrating that the emerging features—shock waves, soliton trains, self-trapping, etc.—originate from a modified dispersion. Our work also sheds new light on related phenomena in optical lattices, where the underlying periodic structure often complicates their interpretation.
原论文的标题的确使用了负质量（Negative mass），但是如果仔细看论文摘要就会发现，研究人员实际上是在量子体系中实现了负有效质量（Negative effective mass）。“有效”一词会带来非常大的区别。物理学家通常用“有效”来表明某些东西不是基本的，而是一种涌现现象，这个词的精确定义往往是约定俗成的。
例如，一个星系的“有效半径”并不是它的半径；“有效核电荷”也不是原子核的电荷。
由此类推，相信你也猜到了，“有效负质量”不是负质量，它仅仅是方便描述凝聚体行为的一个数学量。在这项工作中，研究人员制造出了一种凝聚体，它的行为就如同具有负有效质量一般。他们利用激光将 10000 个铷原子捕获在一个小区域中，并用另一束激光将它们冷却至接近绝对零度，形成所谓的玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）。凝聚体的有效质量和它的色散关系有关。色散关系指的是能量和动量之间的关系。
在普通的非相对论性极限下，E=p²/m（E 为能量，p 为动量，m 为质量），如果求能量对动量的二阶导数，我们就会得到质量的逆（1/m）。而在其它的能量-动量关系下进行同样的求导，所得的结果就称为有效质量的逆。你可以使用这个定义重新写下凝聚体的运动方程，使得方程在形式上和普通的流体力学方程相似，其中一项便包含了有效质量的逆乘以力。
有效质量的确可以是负的。
该实验得到的凝聚体色散关系如图 a 所示（横轴为动量，左侧纵轴为能量，右侧纵轴为有效质量）。虚线代表有效质量，而灰色地带就是具有负有效质量的区域。凝聚体具有“负质量”的真正含义是：如果将被困在碗状势阱中的凝聚体释放，它一开始会扩散，但接着便不再扩散。在图 b 中可以看到，BEC 开始向左右扩散，但是在 14 毫秒的时候，右边的扩散进入负有效质量区域后明显受到了阻碍，像遇到了一堵无形的墙。
因此，一个准确的标题应该是：“物理学家观测到不会扩散的流体”。
尽管这个标题不那么诱人，但这绝不意味着这项工作不重要。来自量子效应的长程相关性使得流体能够自我限制扩散，这本身就很酷。流体表现出具有负有效质量的行为是个通俗易懂的解释，但物理学家并没有在实验室中制造出负质量流体，牛顿定律也没有失效。而且，这跟黑洞、暗能量或是虫洞都没有关系。相信我，物理学还是好好的，并没有被颠覆（虽然你们可能有些失望）！