近年實驗物理學家們發現，量子力學不僅駕馭微觀粒子，它還維系著宏觀的世間萬物，乃至蕓蕓眾生。
撰文 弗拉特科·韋德拉爾（Vlatko Vedral）
翻譯 龐瑋
量子力學，按照一般教科書中的說法，是微觀世界的法則。它能描述粒子、原子和分子，但在面對果實、人體或行星這樣的宏觀物體時，就要讓位于經典理論了。于是在分子和宏觀物體之間似乎有一道界限，奇異的量子行為到此結束，而我們熟悉的經典物理由此開始。量子力學僅限于微觀世界，這已經成為大眾科學文化中的普遍觀點，如美國哥倫比亞大學物理學家布里安·格林（Biran Green）在他大受歡迎的科普著作《宇宙的琴弦》（The Elegant Universe）中就寫到，量子力學“為我們從最細微的尺度上理解宇宙提供了理論框架”。而那些大的尺度則屬于經典物理，即包括相對論在內的所有非量子理論。
然而，這樣按照尺度把世界劃分為量子和經典雖然方便，卻并不符合事實。在大多數現代物理學家眼中，經典物理無法和量子力學平起平坐，它只不過是一種有效近似，而這個世界本身在所有尺度上都是量子的。那么緣何在宏觀世界中很難觀察到量子效應？經過30年的求索，迷霧已經漸漸散開，物理學家發現這種差別其實與尺度無涉，而與量子系統之間的相互作用方式有關。實驗上的進展則更為緩慢，就在十年之前，實驗物理學家還無法證實量子效應能夠延續至宏觀系統，不過如今在宏觀尺度下展現量子效應已經成了家常便飯，這些效應分布范圍之廣，超出所有人的預料，它們甚至參與了我們身體中每一個細胞的運轉。
這些林林總總的量子效應，行為無不超越直觀與常識，即便是我們這些專業研究者也常覺目不暇接，驚嘆于它們透露出的自然運行規律之妙。面對這些信息，我們不得不重新思考看待宇宙的方式，并接受一幅嶄新又陌生的世界圖景。
世事糾纏
與量子物理相比，經典物理就像是彩色世界的黑白版本，無法捕捉世界中豐富的色彩。以往教科書中將微觀歸于量子，宏觀歸于經典，體系變大，色彩隨之被洗白。例如單個粒子是量子的，而一大團粒子就成了經典的。但有人認為這樣的說法站不住腳，第一個質疑的聲音來自物理學中最著名的思想實驗之一，即“薛定諤的貓”（Schr?dinger's cat）。
這只郁悶的貓出現于薛定諤在1935年設想的一個場景中，它表明微觀世界如何與宏觀世界交織在一起，從而斬斷了兩者之間的分界線。在量子力學中，一個放射性原子能同時處于衰變或未衰變兩種狀態，若以此控制毒氣開關，邊上再放一只貓，那么原子衰變則貓亡，原子未衰變則貓存，貓的處境與原子狀態發生關聯，亦生亦死，原子的奇異特性直接導致貓的尷尬，完全與體系大小無關。如果世界是量子的，貓必然亦生亦死，問題是我們為何從來未見過此等景象，眼中所見總是非生即死呢？
以現代物理學的觀點，決定貓非生即死的因素在于物體與其環境之間復雜的相互作用，這些相互作用共同掩蓋了量子效應，比如貓的身體要反射光子（提供視覺信息），它和外界還存在熱量交換（提供體溫等生命信息），這些相互作用會不斷向周圍環境泄露貓的信息。薛定諤貓所代表的特殊量子現象涉及多個特殊經典狀態的疊加（例如生與死相疊加），這些狀態之間存在不可調和的矛盾。而從貓身上泄露的信息則屬于經典物理范疇，都是一些特定的情形，比如死了或者活著，這意味著狀態的疊加在信息泄露的過程中被破壞了，量子物理中稱此類過程為“退相干”（decoherence）。
物體尺度越大就越容易發生退相干，因為它們泄露出的信息更多，這解釋了為什么物理學家往往習慣于將量子力學看成是一種微觀理論。但在很多時候，這種信息泄露可以被減緩甚至遏止，讓我們得以一睹量子世界的真容。其中最具代表性的量子效應名為“糾纏”（entanglement），這個詞也是薛定諤在1935年的“貓論文”中創造的。糾纏能將很多單個粒子結合成一個不可區分的整體。與之相比，多個粒子組成的經典體系總是可區分的，起碼原則上可區分，這樣體系的屬性一定可以追溯到某個組分。但糾纏體系無法區分其內部組分，這導致一些非常奇特的結果，比如只要糾纏在一起，無論這些粒子相隔多遠，它們始終都是一個整體，于是就會產生讓愛因斯坦耿耿于懷的“幽靈般的超距作用”。
通常物理學家討論的都是兩個基本粒子的糾纏，比如說一對電子。你可以將它們大致想象成是一些在不斷旋轉的小陀螺，有些順時針轉動，有些逆時針轉動，轉軸指向一些特定角度：豎直、水平或者45度等等。要測量它們的旋轉[稱為自旋（spin）]，須選定一個方向，比如豎直，然后看轉軸是否指向該方向。
為了討論方便，假設這些電子以經典方式自旋。那么你可以將一個電子的自旋設為水平順時針，另一個設為水平逆時針，這樣它們的總自旋剛好為0。它們自旋的空間指向保持不變，當你要測量其自旋時，測量結果取決于你所取的測量方向是否與它們的自旋指向平行，如果沿水平方向測量，你會看到兩個自旋指向相反的電子，如果沿著豎直方向測量，你會發現兩個電子都沒有該方向的自旋。
但事實上，電子是量子的，行為與上述經典情況完全不同。你能將它們的總自旋設定成0而不用管單個電子的自旋指向，然后你測量單個電子的自旋，會發現它隨機處于順時針或逆時針狀態，似乎它能隨心所欲地選擇自旋方式。而當你去測這兩個電子的自旋時，無論選擇哪個方向，只要選的測量方向對兩者而言是相同的，那么總能看到兩個剛好相反的自旋，一個順時針一個逆時針，從而使總自旋為0。它們是怎么知道如此配合的？這仍然是一個非常基本的謎團。不僅如此，如果沿水平方向測一個電子，沿豎直方向測另一個，你能分別得到兩個電子在該方向的自旋大小，似乎它們并沒有固定的自旋指向，這種結果無法用經典物理來解釋。
合為一體
大多數糾纏實驗都只涉及數目不多的粒子，因為粒子數目越多，就越難將它們和周圍環境分隔開，這些粒子往往會和環境中游蕩的粒子發生糾纏，從而破壞體系內部原有的聯系。用術語來說，就是粒子數目太多會導致更多信息外泄，讓體系更容易退相干至經典情況。為了在實際應用中發揮這些奇特性質的作用——比如在使用量子計算機時——研究者面臨的最大挑戰，就是如何保持體系的糾纏。
2003年，英國倫敦大學學院的加布里埃爾·埃普利（Gabriel Aeppli）和同事完成了一個非常漂亮的實驗，證明只要減少或用某種方式抵消信息泄露，就能讓更大的體系維持糾纏。他們將一小塊氟化鋰鹽放進磁場中，氟化鋰鹽中的原子可以被想象成一個個小磁針，在外磁場作用下這些小磁針都傾向于沿著外磁場方向平行排列，這個過程被稱為磁化。原子之間也存在相互作用，它像團隊的內部壓力一樣促使原子更快地向外磁場屈服。加布里埃爾等人一邊改變磁場強度一邊測量原子趨向外磁場的速度變化，他們發現氟化鋰鹽原子對外磁場變化的響應速度之快，遠非經典的內部相互作用所能解釋，很明顯有一些額外因素幫助原子整齊劃一地行動。加布里埃爾小組認為幕后推手正是糾纏，若果真如此，那可是1020個原子形成的巨大糾纏態。
熱能帶來的隨機運動會對上述實驗造成討厭的干擾，因此加布里埃爾小組選擇在近乎絕對零度的極端低溫下進行實驗。在他們之后，位于里約熱內盧的巴西物理研究中心的亞歷山大·馬丁斯·德索薩（Alexandre Martins de Souza）帶領同事在羧酸銅等材料中發現了室溫及更高溫度的宏觀糾纏現象。這些材料中原子的相互作用強度足以抵抗環境的熱干擾。還有一些方案利用外部作用來抵消熱效應（參見《環球科學》2009年第12期《維持量子糾纏的旁門左道》）。目前，物理學家已經在越來越大、溫度越來越高的各種體系中觀察到了糾纏現象，從電磁阱中的離子到光晶格中的超冷原子，再到超導量子點（見下頁圖表）。
這些體系與“薛定諤的貓”都有異曲同工之處。比如說一個原子或離子，它的電子要么接近、要么遠離原子核，或者同時處于這兩種狀態，這就相當于薛定諤可憐的貓所面對的輻射原子，衰變與否是不確定的。無論電子狀態如何，整個原子都可以向左或向右運動，這相當于貓或生或死的兩種命運。物理學家可以用激光來操控原子，將電子和原子的運動耦合起來。如果電子接近原子核，我們就讓原子向左運動，反之就讓原子向右運動。如此一來，電子狀態就和原子運動糾纏在一起，這就相當于原子輻射衰變和貓的耦合，亦生亦死的貓在此就化身為亦左亦右的原子。
另一些實驗將上述思想放大，讓數目更多的原子糾纏起來，形成讓經典物理目瞪口呆的巨大糾纏態。如果大塊固體材料能在室溫下糾纏，那不妨讓我們的思維小小地跳躍一下，考慮一種特殊的又大塊又溫暖的體系：生命。
薛定諤的鳥
歐洲鴝（European robin）是一種靈巧的小型鳥類，每年秋天它們都會從斯堪的納維亞半島向非洲靠近赤道的溫暖草原遷徙，等第二年春回大地時再返回斯堪的納維亞。整個遷徙路線來回長達13 000千米，歐洲鴝對此游刃有余。
人們一直對鳥類及其他動物這種天生的導航能力感到好奇。上世紀70年代，德國法蘭克福大學的沃爾夫岡·維爾奇科和羅斯維塔·維爾奇科夫婦（Wolfgang and Roswitha Wiltschko）捕捉了一些遷徙中的歐洲鴝并將它們放進人工磁場中，他們發現這些鳥感覺不出磁場方向的翻轉，這表明它們無法分辨南北磁極，但它們的確能對地磁傾角，即地磁場方向與地球表面間的夾角作出反應，這就是它們的導航秘訣。有趣的是，蒙住眼睛的歐洲鴝對磁場完全沒有反應，似乎它們是通過眼睛來感知磁場的。
2000年，一位對鳥類導航頗有興趣的物理學家托爾斯騰·里茨（Thorsten Ritz）和當時他在美國南佛羅里達大學的同事提出，糾纏是其中關鍵。他們在美國伊利諾伊大學的克勞斯·舒爾騰（Klaus Schulten）此前工作的基礎上提出了新的設想：鳥的眼睛中包含一種分子，該分子中電子兩兩糾纏成總自旋為零的電子對，很明顯這用經典物理根本無法模擬。當此分子吸收可見光時，兩個電子獲得足夠的能量相互遠離，并對外界影響作出反應，從而可以感受到地球磁場。如果磁場有傾角，則會對兩個電子造成不同影響，這種不平衡會改變分子間的化學反應。眼睛中的化學通道將這種變化轉換成神經脈沖，最終在鳥的大腦中生成一幅地磁圖像。
盡管里茨等人提出的導航機制仍缺乏直接證據，但英國牛津大學的克里斯托弗·T·羅杰斯（Christopher T. Rogers）和基米諾里·梅達（Kiminori Maeda）在實驗室中（而非活體生物中）研究了與之類似的分子，結果表明這些分子的確由于內部電子糾纏而對磁場敏感。按照我和同事的計算，量子效應在鳥的眼中可以持續大概100毫秒，這在量子世界已經算很長時間了。人工搭建的電子自旋系統保持糾纏的最好記錄是約50毫秒，我們目前還不知道自然系統是如何長時間維持量子效應的，但無疑這里的答案將啟示我們如何防止量子計算機發生退相干。
另一項可能有糾纏參與的生物活動是光合作用（photosynthesis）。在植物將陽光轉變成化學能的過程中，照射在植物葉片上的陽光會在細胞中激發出電子，這些電子將各尋路徑前往它們最終的目的地——細胞中的化學反應中心，在那里它們將卸載所攜帶的能量用來啟動維持植物細胞運轉的各種反應。而經典物理無法解釋這些電子幾近完美的工作效率。
多個小組為此展開了實驗，其中包括美國加利福尼亞大學伯克利分校的格雷厄姆·F·弗萊明（Graham R. Fleming）、莫漢·薩羅瓦（Mohan Sarovar）等人以及加拿大多倫多大學的格里高利·D·斯科爾斯（Gregory D. Scholes）。他們的結果表明，量子力學的確是光合作用高效運轉的幕后推手。在量子世界中，粒子一次并非只能選擇一條路徑，而是可以同時選擇所有路徑，而植物細胞中的電磁場能使其中一些路徑相互抵消，同時讓另一些路徑相互增強，這就減少了電子走彎路的機會，讓它們有更大幾率采取捷徑直插反應中心。
這類生物中的糾纏往往持續時間極短，所涉及的分子也很小，大多由不到10萬個原子構成，那么自然界中是否可能存在更大，更持久的糾纏？目前仍不得而知，但這個問題本身就足以讓人心馳神往，其中也蘊含了一門嶄新的學科：量子生物學（quantum biology）。
塵埃如何落定？
對薛定諤來說，沒有什么比一只亦生亦死的貓更荒謬的了，所以弄出這樣一只貓的理論也必定有問題。此后一代又一代物理學家也都深有同感，他們的解決辦法就是將量子力學逐出宏觀體系。上世紀80年代，牛津大學的羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）提出，在質量超過20毫克的體系中，引力的作用可能導致量子物理拱手于經典物理。而另一邊意大利物理學家三人組——里雅斯特大學的吉安卡洛·吉拉爾迪（GianCarlo Ghirardi）和托馬索·韋伯（Tomaso Weber）以及帕維亞大學的阿爾博托·里米尼（Alberto Rimini）則提出，大量粒子會自動表現出經典行為。但這些說法基本上都在實驗面前倒下了，量子世界和經典世界之間似乎并無本質區別，剩下的只是實驗技巧問題，而現在也很少有物理學家還認為經典物理有朝一日能卷土重來，即便有些人認為量子物理最終將被更深層的理論超越，他們也普遍認為這些深層理論會比眼前的量子力學更加違背直覺。
既然量子力學適用于所有尺度，我們就面臨該理論中的一個核心問題：如何去解釋大尺度的規律，我們不能指望用原子能堆出一頭大象來。比如時間和空間是經典物理中的兩個基本概念，但是在量子力學中，它們只能位于糾纏之后，排在第二位。糾纏無須憑借時空也可以將量子體系連接起來，如果量子和經典之間有一道分界線，那我們還可以用時間空間搭建起一個經典世界，并用這個世界作為描述量子理論的框架。但現在這條界限并不存在，如此經典世界皮之不存，量子物理毛將焉附？我們必須從無空間也無時間的基本理論中“長”出時間和空間來。
這種見解反過來可能有助于我們把量子物理與物理學的另一個重要支柱——愛因斯坦的廣義相對論調和在一起。廣義相對論用時空幾何描述引力，它需要用到一些前提假設，例如物體有定義明確的位置概念而且不會同時處于兩個不同位置，這很明顯與量子力學的描述不符。很多物理學家，例如斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）認為相對論最終將讓位于一個不存在時間和空間概念的深層理論，而經典的時空概念會由量子糾纏在退相干過程中自動衍生。
還有更好玩的假設，在那里引力不是基本力，而是從宇宙中其他基本力的量子漲落中產生的噪聲殘余，這種被稱為“導出引力”的想法最早來自上世紀60年代的蘇聯核物理學家安德烈·薩哈羅夫（Andrei Sakharov）。如果這類想法最終被證實，屆時不僅引力將被請下基本力神壇，而且所有試圖將引力“量子化”的努力都將灰飛煙滅，因為在量子水平上可能根本就沒有什么引力可言。
我們每一個人都可能身處量子異界，這樣的假設實在是太過于震懾心靈了，以至于物理學家眼下只能糾纏在迷惑和驚嘆之中。
補充閱讀：
今年1月，來自德國波恩大學的研究者設計了一項實驗，通過追蹤銫原子在光學晶格中的運動，尋找區分宏觀與量子世界的臨界尺寸。他們以高精度的“零點實驗”確認，像銫原子這樣的大原子仍然遵守量子力學定律。該研究發表在物理學頂級期刊《物理評論X》（Physical Review X）上。
科學家通過理論計算，定義了一個叫做“宏觀程度”的量。銫原子的宏觀程度被定為6.8，前幾年科學家觀察到碳60分子的干涉條紋，證明碳60分子也具有量子性質，它的宏觀程度為12（但該實驗的確定度不如銫原子實驗）。作為比較，“薛定諤的貓”的宏觀程度為57。科學家們的下一步，就是檢驗更大的分子是否具有量子特性。這會將“宏觀”的極限推得更遠，發現更多量子世界與宏觀世界之間的聯系，以及這些聯系背后隱藏著的本質。
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