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，但在梨子、人类和行星的宏观尺度上让位于普通的经典物理学。在分子和梨子之间的某个地方，量子行为的奇异性结束，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莱恩·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》的第一页中写道，量子力学“为理解最小尺度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，处理最大的尺度。
然而，这种对世界的方便划分是一个神话。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；它只是一个有用的近似，即世界在所有尺度上都是量子的。尽管量子效应可能在宏观世界中更难看到，但这并非尺寸本身的结果，而是量子系统彼此相互作用的方式的结果。
多年来，实验学家们无法证实量子行为在宏观尺度上持续存在。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。它们甚至可能在我们身体的细胞中运作。
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量子行为难以可视化和符合常识。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。
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。在旧教科书的观点中，随着尺寸的增加，丰富的色调变得黯然失色。单个粒子是量子的；块状物质是经典的。但是，尺寸不是决定因素的线索可以追溯到著名的薛定谔猫的思想实验。
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，从而防止在它们之间划出任意界限。量子力学认为，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，那么这只动物就与原子存在于相同的量子边缘状态。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或死的。
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量交换的形式迅速泄漏到其环境中。信息的泄漏导致了不同经典状态（例如死和活）的组合——这是量子现象如此独特的特征——通过一个称为退相干的过程而消散 [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]。
较大的物体往往比小的物体更容易受到退相干的影响。这就是物理学家通常将量子力学视为微观世界理论的原因。但在许多情况下，信息泄漏可以减缓或停止——然后量子世界以其全部荣耀向我们展示自己。
典型的量子效应是纠缠，它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，至少在原则上是这样；它所具有的任何集体属性都来自其组成部分的组合属性。但是，纠缠系统无法以这种方式解剖。纠缠的一个奇怪结果是，纠缠粒子表现为一个单一实体，即使它们相距遥远。爱因斯坦曾将这种效应称为“鬼魅般的超距作用”。
实验通常会纠缠基本粒子对，例如电子。您可以将这些粒子想象成小的旋转陀螺，它们围绕可以指向任何方向的轴顺时针或逆时针旋转：水平、垂直或介于两者之间的某个角度。要测量粒子的自旋，您必须首先选择一个方向。然后，您可以测试粒子是否在该方向上旋转。
假设电子实际上表现得像经典粒子。您可以设置一个电子沿水平顺时针方向旋转，另一个电子沿水平逆时针方向旋转；这样，它们的自旋之和为零。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水平轴对齐。如果对齐，那么您会看到它们以相反的方向旋转，但如果您垂直测量它们，则似乎都没有任何自旋。
然而，在真实实验中，结果却出奇地不同，因为真实电子遵循量子规则。即使您没有指定它们的单个自旋是什么，您也可以将粒子设置为总自旋为零。然后，当您测量其中一个粒子时，您会随机看到它顺时针或逆时针旋转。这就像粒子自己决定旋转方向一样。然而，无论您选择哪个方向来测量电子（前提是对两者都相同），它们总是以相反的方式旋转，一个顺时针，另一个逆时针。
它们是如何知道这样做的？这仍然完全是个谜。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非零自旋，这意味着粒子没有固定的旋转轴。经典物理学无法解释这一点。
作为一个整体行动
大多数纠缠演示最多涉及少量粒子。较大批量的纠缠粒子更难隔离；它们倾向于与杂散粒子形成不必要的纠缠，从而掩盖其原始的相互连接。泄漏到环境中的信息过多，然后系统表现得像经典系统。对于我们这些试图利用这些新颖效应进行实际应用（例如量子计算机）的人来说，保持纠缠的难度是一个主要挑战。
但是 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。当时在伦敦大学学院的加布里埃尔·埃普利和他的同事将一块氟化锂盐放在外部磁场中。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体。原子彼此施加力，这起到一种同伴压力的作用，使它们更快地对齐。随着研究人员改变磁场的强度，他们测量了原子对齐的速度。
他们发现原子的反应速度比其相互作用的强度所暗示的要快得多。显然，一些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，则 1020 个盐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，埃普利的研究小组在极低的温度（几毫开尔文）下进行了实验。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或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，外力可以阻止热效应 [参见 “来去自如”，作者：乔治·穆瑟；新闻扫描，《大众科学》，2009 年 11 月]。物理学家已经在温度和尺寸不断增加的系统中看到了纠缠，从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 [见下表]。
这些系统类似于薛定谔的猫。考虑一个原子或离子。它的电子可以靠近原子核或更远——或者同时处于两种状态。这样的电子就像薛定谔的思想实验中已经衰变或尚未衰变的放射性原子一样。独立于电子的运动状态，整个原子可以移动，例如向左或向右。这种运动起着死猫或活猫的作用。通过用激光操纵原子，物理学家可以将这两种属性耦合起来。然后，如果电子靠近原子核，原子就会向左移动；如果电子较远，原子就会向右移动。电子的状态与原子的运动纠缠在一起，就像放射性衰变与薛定谔猫的状态纠缠在一起一样。
通过放大这个基本思想，实验学家们已经将大量原子纠缠成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度高时也可以纠缠，那么我们可以问，对于一种非常特殊的大型高温系统：生命，是否也可能如此。
薛定谔的鸟
欧洲知更鸟是狡猾的小鸟。每年，它们都会从斯堪的纳维亚半岛迁徙到温暖的非洲赤道平原，并在春天返回，那时北方的天气变得更加宜人。知更鸟以自然的轻松导航大约 13,000 公里的往返行程。
长期以来，人们一直在想，鸟类和其他动物是否可能有一些内置的指南针。在 20 世纪 70 年代，德国法兰克福大学的沃尔夫冈和罗丝维塔·威尔奇科夫妇捕捉了正在迁徙到非洲的知更鸟，并将它们放入人工磁场中。奇怪的是，知更鸟似乎对磁场方向的反转毫不在意；它们无法区分南北。然而，鸟类确实对地磁场的倾角做出反应——即磁力线与地面的夹角。这就是它们导航所需要的全部。有趣的是，蒙住眼睛的知更鸟根本不对磁场做出反应，这表明它们以某种方式用眼睛感知磁场。
2000 年，对候鸟充满热情的物理学家托尔斯滕·里茨（现任加州大学欧文分校）和他的同事提出，纠缠是关键。他们的场景建立在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的克劳斯·J·舒尔滕先前工作的基础上，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拟。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。眼睛中的化学途径将这种差异转化为神经冲动，最终在鸟的大脑中形成磁场的图像。
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·罗杰斯和现任日本埼玉大学的前田纪实实验室研究了类似于里茨的分子，并表明电子纠缠确实使这些分子对磁场敏感。
我和我的同事所做的计算表明，量子效应在鸟的眼睛中持续存在约 100 微秒——在这种情况下，这是一个很长的时间。人工工程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这么长时间，但答案可能会为我们提供有关如何保护量子计算机免受退相干影响的想法。
光合作用，植物将阳光转化为化学能的过程，也可能涉及纠缠。入射光在植物细胞内部射出电子，这些电子都需要找到通往同一位置的路径：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实现这一目标的近乎完美的效率。
加州大学伯克利分校的格雷厄姆·R·弗莱明和他的同事、桑迪亚国家实验室的莫汉·萨罗瓦尔和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。
最终效果是降低电子走浪费的弯路的几率，并增加它直接前往反应中心的几率。纠缠只会持续不到一秒，并且涉及的分子原子数不超过约 100,000 个。自然界中是否存在更大、更持久的纠缠实例？我们不知道，但这个问题足够令人兴奋，可以刺激一个新兴学科：量子生物学。
这一切的意义
薛定谔认为猫既活着又死了的前景是荒谬的；任何做出这种预测的理论肯定是有缺陷的。几代物理学家都认同这种不适，并认为量子力学将不再适用于更大的尺度。在 20 世纪 80 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得像经典粒子。
但现在的实验几乎没有给这些过程留下运作空间。量子世界和经典世界之间的划分似乎不是根本性的。这只是一个实验技巧的问题，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。如果说有什么不同的话，那就是普遍的看法是，如果更深层次的理论取代量子物理学，它将表明世界比我们迄今为止看到的任何事物都更违反直觉。
量子力学适用于所有尺度这一事实迫使我们面对该理论最深奥的奥秘。我们不能简单地将它们视为仅仅在微观领域才重要的细枝末节。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相互连接量子系统。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为描述量子过程提供框架。但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涌现出来的。
反过来，这种洞察力可能有助于我们调和量子物理学与物理学的另一个伟大支柱——爱因斯坦的广义相对论，广义相对论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，在该理论中，经典时空通过退相干过程从量子纠缠中涌现出来。
引力甚至可能不是一种自身的力量，而是宇宙中其他力量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 20 世纪 60 年代的核物理学家安德烈·萨哈罗夫。如果这是真的，它不仅会降低引力作为基本力的地位，还会表明“量子化”引力的努力是误入歧途的。引力甚至可能在量子层面根本不存在。
宏观物体（例如我们的人体）处于量子边缘状态的含义已经足够令人震惊，以至于我们物理学家仍然处于纠缠的困惑和惊奇状态。