根据标准物理教科书，量子力学是微观世界的理论。它描述了粒子、原子和分子，但在梨、人与行星的宏观尺度上让位于普通的经典物理学。在分子和梨之间存在一个边界，量子行为的奇异性在此结束，而经典物理学的熟悉性开始。量子力学仅限于微观世界的印象渗透到公众对科学的理解中。例如，哥伦比亚大学物理学家布赖恩·格林在他非常成功（以及其他方面都很出色）的著作《优雅的宇宙》的第一页写道，量子力学“为理解最小尺度上的宇宙提供了理论框架。” 经典物理学，包括任何非量子理论，包括阿尔伯特·爱因斯坦的相对论，处理的是最大的尺度。
然而，这种对世界的便捷划分是一个神话。很少有现代物理学家认为经典物理学与量子力学具有同等地位；它只是对一个在所有尺度上都是量子的世界的有用近似。尽管量子效应在宏观世界中可能更难看到，但原因与尺寸本身无关，而与量子系统彼此相互作用的方式有关。在过去的十年之前，实验主义者尚未证实量子行为持续存在于宏观尺度上。然而，今天，他们经常这样做。这些效应比任何人曾经怀疑的都更普遍。它们可能在我们身体的细胞中运作。
即使是我们这些以研究这些效应为职业的人，也尚未理解它们在告诉我们关于自然运作的什么。量子行为难以形象化，也不符合常识。它迫使我们重新思考我们看待宇宙的方式，并接受我们世界的一个新的和不熟悉的图景。
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纠缠的故事
对于量子物理学家来说，经典物理学是彩色世界的黑白图像。我们的经典范畴未能捕捉到那个世界的所有丰富性。在旧的教科书观点中，丰富的色调随着尺寸的增加而褪色。单个粒子是量子的；成群结队地，它们是经典的。但尺寸不是决定因素的第一个线索可以追溯到物理学中最著名的思想实验之一，薛定谔的猫。
埃尔温·薛定谔在 1935 年提出了他那病态的场景，以说明微观世界和宏观世界如何相互耦合，从而阻止在它们之间划出任意界限。量子力学说，一个放射性原子可以同时处于衰变和未衰变状态。如果原子与一瓶猫毒药相连，以至于如果原子衰变猫就会死亡，那么这只动物就会像原子一样陷入相同的量子僵局。一方的怪异性感染了另一方。尺寸无关紧要。谜题是为什么猫主人只看到他们的宠物是活的还是死的。
在现代观点中，世界看起来是经典的，因为物体与其周围环境的复杂相互作用共同作用，将量子效应从我们的视野中隐藏起来。例如，关于猫的健康状况的信息，以光子和热交换的形式迅速泄漏到其环境中。独特的量子现象涉及不同经典状态（例如既死又活）的组合，而这些组合往往会消散。信息的泄漏是称为退相干过程的本质 [参见“量子奥秘百年”，作者：马克斯·泰格马克和约翰·阿奇博尔德·惠勒；大众科学，2001 年 2 月]。
较大的事物往往比较小的事物更容易受到退相干的影响，这证明了为什么物理学家通常可以放心地将量子力学视为微观世界的理论。但在许多情况下，信息泄漏可以减缓或停止，然后量子世界就会向我们展现它的全部辉煌。典型的量子效应是纠缠，薛定谔在 1935 年的同一篇论文中创造了这个术语，这篇论文将他的猫介绍给了世界。纠缠将单个粒子结合成一个不可分割的整体。经典系统始终是可分的，至少在原则上是如此；它所具有的任何集体属性都来自本身具有某些属性的组件。但是，纠缠系统无法以这种方式分解。纠缠具有奇怪的后果。即使纠缠的粒子相距遥远，它们仍然表现为一个单一的实体，导致爱因斯坦著名地称之为“远距离的幽灵般的动作”。
通常物理学家谈论的是诸如电子等基本粒子对的纠缠。这些粒子可以被粗略地认为是小的旋转陀螺，它们顺时针或逆时针旋转，它们的轴指向任何给定的方向：水平、垂直、45 度角等等。要测量粒子的自旋，您必须选择一个方向，然后查看粒子是否在该方向上自旋。
假设，为了论证，电子的行为是经典的。您可以设置一个电子以水平顺时针方向旋转，另一个电子以水平逆时针方向旋转；这样，它们的总自旋为零。它们的轴在空间中保持固定，当您进行测量时，结果取决于您选择的方向是否与粒子的轴对齐。如果您水平测量它们，您会看到它们都以相反的方向旋转；如果您垂直测量它们，您将检测不到任何一个的自旋。
然而，对于量子电子，情况却截然不同，令人惊讶。即使您没有指定它们的各个自旋是什么，您也可以设置粒子使其总自旋为零。当您测量其中一个粒子时，您会看到它随机地顺时针或逆时针旋转。这就像粒子自己决定朝哪个方向旋转一样。然而，无论您选择哪个方向测量电子，只要对于两者都相同，它们将始终以相反的方式旋转，一个顺时针，另一个逆时针。它们是如何知道要这样做的？这仍然完全神秘。更重要的是，如果您水平测量一个粒子，垂直测量另一个粒子，您仍然会检测到每个粒子的一些自旋；看来粒子没有固定的旋转轴。因此，测量结果的匹配程度是经典物理学无法解释的。
合二为一
大多数纠缠演示最多涉及少数粒子。较大的批次更难与周围环境隔离。其中的粒子更可能与杂散粒子纠缠，从而模糊它们最初的互连。根据退相干的语言，泄漏到环境中的信息过多，导致系统表现出经典行为。对于我们这些寻求利用这些新颖效应进行实际用途（例如量子计算机）的人来说，保持纠缠的困难是一个主要挑战。
2003 年的一个巧妙实验证明，当泄漏减少或以某种方式抵消时，较大的系统也可以保持纠缠。伦敦大学学院的加布里埃尔·艾普利和他的同事们取了一块氟化锂盐，并将其置于外部磁场中。您可以将盐中的原子视为试图与外部磁场对齐的小型旋转磁铁，这种响应称为磁化率。原子彼此施加的力充当一种同伴压力，使它们更快地排列成行。当研究人员改变磁场强度时，他们测量了原子排列的速度。他们发现原子的响应速度远快于它们相互作用的强度所暗示的速度。显然，某种额外的效应正在帮助原子一致行动，研究人员认为纠缠是罪魁祸首。如果是这样，那么盐的 1020 个原子形成了一个巨大的纠缠态。
为了避免与热能相关的随机运动的混淆效应，艾普利团队在极低的温度下（几毫开尔文）进行了实验。然而，从那时起，里约热内卢巴西物理研究中心的亚历山大·马丁斯·德索萨和他的同事们在室温和更高温度下的羧酸铜等材料中发现了宏观纠缠。在这些系统中，粒子自旋之间的相互作用足够强，足以抵抗热混沌。在其他情况下，外力可以抵御热效应 [参见“来也匆匆，去也匆匆”，作者：乔治·穆瑟；新闻扫描，《大众科学》，2009 年 11 月]。物理学家已经观察到纠缠现象出现在尺寸和温度不断增加的系统中，从被电磁场捕获的离子到晶格中的超冷原子，再到超导量子比特。
这些系统类似于薛定谔的猫。考虑一个原子或离子。它的电子可以存在于靠近原子核的位置，也可以存在于更远的位置——或者两者同时存在。这样的电子就像薛定谔思想实验中处于衰变或未衰变状态的放射性原子。与电子正在做什么无关，整个原子可以移动，例如，向左或向右。这种运动扮演着死猫或活猫的角色。物理学家使用激光来操纵原子，可以将这两种属性耦合起来。如果电子靠近原子核，我们可以使原子向左移动，而如果电子离得更远，原子则向右移动。因此，电子的状态与原子的运动纠缠在一起，就像放射性衰变与猫的状态纠缠在一起一样。既活又死的猫被一个既向左又向右移动的原子所模仿。
其他实验放大了这个基本思想，以至于大量的原子变得纠缠，并进入经典物理学认为不可能的状态。如果固体即使在体积大且温暖时也能纠缠，那么只需稍微发挥一下想象力，就可以问问对于一种非常特殊的大型温暖系统：生命，情况是否也可能如此。
薛定谔的鸟
欧洲知更鸟是一种狡猾的小鸟。每年，它们都会从斯堪的纳维亚半岛迁徙到赤道非洲温暖的平原，并在春天返回，那时北方的天气变得更加宜人。知更鸟以自然的方式轻松地完成了大约 13,000 公里的往返行程。
人们长期以来一直想知道鸟类和其他动物是否可能有一些内置的指南针。在 1970 年代，德国法兰克福大学的沃尔夫冈·维尔茨科和罗丝维塔·维尔茨科夫妇捕获了正在迁徙到非洲的知更鸟，并将它们置于人工磁场中。奇怪的是，他们发现知更鸟对磁场方向的反转毫不在意，这表明它们无法区分南北。然而，鸟类确实对地球磁场的倾角做出了反应——即磁力线与地表所成的角度。这就是它们导航所需要的全部。有趣的是，蒙上眼睛的知更鸟根本没有对磁场做出反应，这表明它们以某种方式用眼睛感知磁场。
2000 年，当时在南佛罗里达大学的物理学家索尔斯滕·里茨（他对候鸟充满热情）和他的同事们提出，纠缠是关键。在他们的设想中，该设想建立在伊利诺伊大学的克劳斯·舒尔滕的先前工作的基础上，鸟的眼睛中有一种分子，其中两个电子形成一个总自旋为零的纠缠对。这种情况根本无法用经典物理学来模仿。当这种分子吸收可见光时，电子获得足够的能量分离并变得容易受到外部影响，包括地球磁场。如果磁场倾斜，它会以不同的方式影响两个电子，从而产生不平衡，从而改变分子经历的化学反应。眼睛中的化学通路将这种差异转化为神经冲动，最终在鸟的大脑中创建磁场的图像。
尽管里茨机制的证据是间接的，但牛津大学的克里斯托弗·T·罗杰斯和金典里·前田在实验室（而不是在活体动物体内）研究了类似于里茨的分子，并表明这些分子确实由于电子纠缠而对磁场敏感。根据我的同事和我所做的计算，量子效应在鸟眼中持续存在约 100 微秒——在这种情况下，这已经是很长的时间了。人工设计的电子自旋系统的记录约为 50 微秒。我们尚不清楚自然系统如何能够将量子效应保持如此之久，但答案可能会为我们提供如何保护量子计算机免受退相干影响的想法。
纠缠可能起作用的另一种生物过程是光合作用，即植物将阳光转化为化学能的过程。入射光将电子从植物细胞内部射出，而这些电子都需要找到通往同一地点的路径：化学反应中心，在那里它们可以沉积能量并引发为植物细胞提供燃料的反应。经典物理学无法解释它们执行此操作的近乎完美的效率。
加州大学伯克利分校的格雷厄姆·R·弗莱明、莫汉·萨罗瓦尔及其同事以及多伦多大学的格雷戈里·D·斯科尔斯等多个小组的实验表明，量子力学解释了该过程的高效率。在量子世界中，粒子不必一次只走一条路径；它可以同时走所有路径。植物细胞内的电磁场会导致其中一些路径相互抵消，而另一些路径则相互加强，从而降低电子走浪费弯路的几率，并增加电子直接被引导到反应中心的几率。
纠缠只会持续一瞬间，并且会涉及不超过约 100,000 个原子的分子。自然界中是否存在更大、更持久的纠缠实例？我们不知道，但这个问题足以激发一门新兴学科：量子生物学。
这一切的意义
对于薛定谔来说，猫既活又死的可能性是荒谬的；任何做出如此预测的理论肯定是有缺陷的。几代物理学家都对这种不适感同身受，并认为量子力学将不再适用于更大的尺度。在 1980 年代，牛津大学的罗杰·彭罗斯提出，对于质量超过 20 微克的物体，引力可能会导致量子力学让位于经典物理学，而三位意大利物理学家——的里雅斯特大学的吉安卡洛·吉拉迪和托马索·韦伯以及帕维亚大学的阿尔贝托·里米尼——提出，大量粒子会自发地表现出经典行为。但现在的实验几乎没有为这些过程的运作留下空间。量子世界和经典世界之间的划分似乎并非根本性的。这只是一个实验技巧问题，现在很少有物理学家认为经典物理学会在任何尺度上真正卷土重来。如果有什么不同的话，普遍的看法是，如果更深层次的理论最终取代量子物理学，它将表明世界比我们迄今为止所看到的任何事物都更加违反直觉。
因此，量子力学适用于所有尺度的事实迫使我们面对该理论最深刻的奥秘。我们不能简单地将它们视为仅仅在非常小的尺度上才重要的细枝末节。例如，空间和时间是两个最基本的经典概念，但根据量子力学，它们是次要的。纠缠是主要的。它们在不参考空间和时间的情况下互连量子系统。如果量子世界和经典世界之间存在分界线，我们可以使用经典世界的空间和时间来为描述量子过程提供框架。但是，如果没有这样的分界线——并且，实际上，没有一个真正的经典世界——我们就失去了这个框架。我们必须解释空间和时间是如何从根本上无空间和无时间的物理学中产生的。
反过来，这种洞察力可能有助于我们将量子物理学与物理学的另一大支柱——爱因斯坦的广义相对论——调和起来，后者用时空几何来描述引力。广义相对论假设物体具有明确定义的位置，并且永远不会同时位于多个位置——这与量子物理学直接矛盾。许多物理学家，例如剑桥大学的斯蒂芬·霍金，认为相对论必须让位于更深层次的理论，在这种理论中，空间和时间不存在。经典时空通过退相干过程从量子纠缠中产生。
一个更有趣的可能性是，引力本身不是一种力，而是宇宙中其他力的量子模糊性产生的残余噪声。这种“诱导引力”的思想可以追溯到 1960 年代的核物理学家和苏联持不同政见者安德烈·萨哈罗夫。如果属实，它不仅会将引力从基本力的地位中降级，而且还表明“量化”引力的努力是误入歧途。引力甚至可能在量子层面不存在。
像我们这样的宏观物体处于量子僵局的含义令人难以置信，以至于我们物理学家仍然处于困惑和惊奇的纠缠状态。