活生生的量子世界

根据标准的物理教科书，量子力学是微观世界的理论，用来描述粒子、原子和分子；而描述宏观尺度的梨子、人和植物时，就得改用一般的古典物理。

分子与梨子间有个边界，在那儿量子力学的奇特行为消失，出现我们熟悉的古典物理行为。量子力学只适用于微小世界的这种印象，普遍存在于人们的科学知识里。例如，在畅销名著《优雅的宇宙》的第一页，美国哥伦比亚大学的物理学家布赖恩·格林提到，量子力学“提供一个理论架构，让我们理解最小尺度下的宇宙”。古典物理（涵盖量子以外的所有理论，包括爱因斯坦的相对论）则负责最大尺度的世界。

然而，对世界做这种方便的切割，其实是种迷思。很少有现代物理学家会认为古典物理和量子力学具有同等的地位，古典物理应该只是具有量子本质的世界（不论大小）的一种有用近似。虽然在宏观世界可能比较难看到量子效应，但原因基本上跟大小无关，而是跟量子系统彼此作用的方式有关。

一直到十几年前，实验学者仍未证实量子行为可以出现在大尺度系统，如今这已是家常便饭。这些效应比任何人所想的都还要普遍，甚至可能出现在我们身体的细胞里。

即使是我们这些靠研究这类效应吃饭的人，也还没完全理解它所教给我们的、关于自然运作的方式。量子行为很难可视化，也不容易以常识理解。它迫使我们重新思考观察这宇宙的方式，并接受一个新颖又陌生的世界图像。

缠结难解的故事

对量子物理学家而言，古典物理是全彩世界的一个黑白影像，无法完整呈现这个丰富的世界。在旧教科书的观点里，当尺度一变大，色调就不再丰富。个别粒子具量子性质，一堆粒子则变为古典。

然而，关于尺寸并非决定性因素的第一个线索，可以追溯到物理学历史上最有名的思想实验之一：薛定谔的猫。

1935年，薛定谔想出一个病态的情节来说明微观与宏观世界是连在一起的，我们无法画出界线。量子力学说，放射性原子可以同时处于衰变及未衰变的状态；若将原子与一瓶可以杀死猫的毒药扯上关系，使得原子衰变会导致猫死亡，则猫会如同原子般处于模棱两可的量子态。怪异性质由一个感染到另一个，大小在此并不重要，问题是为何猫的主人都只会看到他们的宠物非死即活？

以现代的观点，世界看起来像古典的，是因为物体与环境间复杂的交互作用将量子效应掩藏了起来。例如，猫的生死信息通过光子和热交换，迅速渗漏到环境里。量子现象会牵涉到不同古典状态的组合（例如同时死与活），而这种组合会很快散逸掉。这种信息的渗漏便是“去同调”过程的基础。

大的东西比小的容易去同调，这就是为什么物理学家通常可以只把量子力学当成微观世界的理论。但在许多例子里，这种信息渗漏可被减缓或停止，如此一来，量子世界就会全然显露。

缠结是典型的量子现象，是薛定谔于1935年在那篇将他的猫介绍给全世界的论文里发明的名词。缠结将几个独立粒子捆绑为不可分割的整体。一个古典系统总是可被分割的，至少原则上是如此；由个别组件集合而得的性质，在个别组件里也会有。但是缠结的系统无法如此分割，并且会导致奇怪的结果：缠结的粒子即使互相远离，仍会表现为单一整体，这就是爱因斯坦所称的、著名的“幽灵般的超距作用”。

物理学家通常讲的是电子等基本粒子的缠结。这些粒子可粗略想象为旋转的小陀螺，以顺时针或逆时针方向旋转，转轴指向任意给定的方向：水平、垂直、45°角等。测量其自旋时，必须选定一个方向，观测粒子是否沿着那个方向转动。

为了方便说明，假设粒子表现的是古典行为。你可以让一个粒子沿水平轴顺时针方向旋转，另一个沿水平轴逆时针方向旋转；如此一来，二者的总自旋为零。它们的转动轴在空间中是固定的，测量结果取决于你选的方向是否沿着粒子的转动轴。如果对二者都做水平轴的测量，则会看到两个粒子的转动方向相反；如果都做垂直轴的测量，则完全不会侦测到这两个粒子的转动。

然而，如果是具有量子性质的电子，则情况会惊人的不同。你可以让粒子的总自旋为零，即使你没有给定个别粒子的转动方向。测量其中一个粒子时，你会看到它随机以顺时针或逆时针方向转动，就好像粒子是自己决定要朝哪个方向转。而且，不管你选择测量哪个方向，只要对这两个粒子测量同一方向，则测得的转动方向永远相反，一个顺时针，一个逆时针。它们怎么知道要这样做？这仍然是个极其神秘的性质。不仅如此，如果你对一个粒子做水平轴测量，对另一个做垂直轴测量，则仍可测量到部分自旋，这就好像粒子没有固定的转动轴。因此，测量结果是古典物理无法解释的。

谁在帮助原子排列？

大部分的缠结实验都只用到几个粒子，因为一大群粒子不容易隔绝环境的影响，其中的粒子很容易跟无关的粒子缠结，破坏原始的内在联结。以去同调的说法，就是有太多信息渗漏到环境里，造成系统有古典的行为。对我们这些寻找缠结的实际用途（例如量子计算机）的研究人员来说，保持缠结是一项重要的挑战。

2003年，有一个巧妙的实验证实，如果能够减少渗漏或加以抵消，则大的系统也可以保持缠结。

英国伦敦大学的加布里埃尔·阿普尔等人将一块氟化锂盐放在外加的磁场里，盐里的原子就像旋转的小磁棒，会尽量与外加磁场同向，这种反应表现为磁化率。原子间的作用力就像同侪压力般，会让它们更快排列整齐。研究人员改变磁场强度，然后测量原子排得多快。他们发现，原子的反应速度比彼此作用力的强度所能提供的还快。很显然，在这个实验中有额外的效应帮助原子排列整齐，而研究人员认为这是缠结造成的。若真如此，则盐块里的10²⁰个原子形成了巨大的缠结态。

为了避免热能所造成的无序运动，阿普尔的团队是在极低的温度下做实验（仅千分之几K）。不过，在那之后，巴西物理研究中心的亚历山大·马丁斯·德·苏萨等人以室温或更高的温度，在铜羧酸盐之类的材料里发现了宏观缠结，自旋粒子间的交互作用强到可以抗拒热能所造成的无序。在其他例子里，则必须用外力抵挡热效应。物理学家在越来越大、越来越高温的系统里看到缠结：从以电磁场捕获的离子到晶格里的超冷原子，再到超导量子位。

这些系统就像薛定谔的猫。考虑一个原子或离子，其电子可能靠近或远离原子核（或是既靠近又远离）。这种电子就像薛定谔思想实验里可能衰变、也可能没衰变的原子。不管电子在哪儿，这整个原子是可以向左或向右移动的，运动方向是左或右就像猫是死的或活的。物理学家以激光操控原子；可以将这两种性质扯上关系。如果电子靠近原子核，就让原子向左移动；如果电子远离原子核，就让原子向右移动。如此一来，电子的状态就跟原子的移动缠结起来，如同原子衰变跟猫的状态缠结起来一样，同时既向左又向右移动的原子，可以模拟既死又活的猫。

许多其他的实验也扩展这种基本概念，使大量的原子也可以缠结，从而进入古典物理不可能说明的状态。如果大体积且高温的固体可以缠结，我们只要稍用想象力就可以问：又大又暖和的特殊系统——生命，也是如此吗？