活生生的量子世界

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的物理教科書，量子力學(xué)是微觀世界的理論，用來描述粒子、原子和分子；而描述宏觀尺度的梨子、人和植物時(shí)，就得改用一般的古典物理。

分子與梨子間有個(gè)邊界，在那兒量子力學(xué)的奇特行為消失，出現(xiàn)我們熟悉的古典物理行為。量子力學(xué)只適用于微小世界的這種印象，普遍存在于人們的科學(xué)知識(shí)里。例如，在暢銷名著《優(yōu)雅的宇宙》的第一頁(yè)，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家布賴恩·格林提到，量子力學(xué)“提供一個(gè)理論架構(gòu)，讓我們理解最小尺度下的宇宙”。古典物理（涵蓋量子以外的所有理論，包括愛因斯坦的相對(duì)論）則負(fù)責(zé)最大尺度的世界。

然而，對(duì)世界做這種方便的切割，其實(shí)是種迷思。很少有現(xiàn)代物理學(xué)家會(huì)認(rèn)為古典物理和量子力學(xué)具有同等的地位，古典物理應(yīng)該只是具有量子本質(zhì)的世界（不論大小）的一種有用近似。雖然在宏觀世界可能比較難看到量子效應(yīng)，但原因基本上跟大小無(wú)關(guān)，而是跟量子系統(tǒng)彼此作用的方式有關(guān)。

一直到十幾年前，實(shí)驗(yàn)學(xué)者仍未證實(shí)量子行為可以出現(xiàn)在大尺度系統(tǒng)，如今這已是家常便飯。這些效應(yīng)比任何人所想的都還要普遍，甚至可能出現(xiàn)在我們身體的細(xì)胞里。

即使是我們這些靠研究這類效應(yīng)吃飯的人，也還沒完全理解它所教給我們的、關(guān)于自然運(yùn)作的方式。量子行為很難可視化，也不容易以常識(shí)理解。它迫使我們重新思考觀察這宇宙的方式，并接受一個(gè)新穎又陌生的世界圖像。

纏結(jié)難解的故事

對(duì)量子物理學(xué)家而言，古典物理是全彩世界的一個(gè)黑白影像，無(wú)法完整呈現(xiàn)這個(gè)豐富的世界。在舊教科書的觀點(diǎn)里，當(dāng)尺度一變大，色調(diào)就不再豐富。個(gè)別粒子具量子性質(zhì)，一堆粒子則變?yōu)楣诺洹?/p>

然而，關(guān)于尺寸并非決定性因素的第一個(gè)線索，可以追溯到物理學(xué)歷史上最有名的思想實(shí)驗(yàn)之一：薛定諤的貓。

1935年，薛定諤想出一個(gè)病態(tài)的情節(jié)來說明微觀與宏觀世界是連在一起的，我們無(wú)法畫出界線。量子力學(xué)說，放射性原子可以同時(shí)處于衰變及未衰變的狀態(tài)；若將原子與一瓶可以殺死貓的毒藥扯上關(guān)系，使得原子衰變會(huì)導(dǎo)致貓死亡，則貓會(huì)如同原子般處于模棱兩可的量子態(tài)。怪異性質(zhì)由一個(gè)感染到另一個(gè)，大小在此并不重要，問題是為何貓的主人都只會(huì)看到他們的寵物非死即活？

以現(xiàn)代的觀點(diǎn)，世界看起來像古典的，是因?yàn)槲矬w與環(huán)境間復(fù)雜的交互作用將量子效應(yīng)掩藏了起來。例如，貓的生死信息通過光子和熱交換，迅速滲漏到環(huán)境里。量子現(xiàn)象會(huì)牽涉到不同古典狀態(tài)的組合（例如同時(shí)死與活），而這種組合會(huì)很快散逸掉。這種信息的滲漏便是“去同調(diào)”過程的基礎(chǔ)。

大的東西比小的容易去同調(diào)，這就是為什么物理學(xué)家通?？梢灾话蚜孔恿W(xué)當(dāng)成微觀世界的理論。但在許多例子里，這種信息滲漏可被減緩或停止，如此一來，量子世界就會(huì)全然顯露。

纏結(jié)是典型的量子現(xiàn)象，是薛定諤于1935年在那篇將他的貓介紹給全世界的論文里發(fā)明的名詞。纏結(jié)將幾個(gè)獨(dú)立粒子捆綁為不可分割的整體。一個(gè)古典系統(tǒng)總是可被分割的，至少原則上是如此；由個(gè)別組件集合而得的性質(zhì)，在個(gè)別組件里也會(huì)有。但是纏結(jié)的系統(tǒng)無(wú)法如此分割，并且會(huì)導(dǎo)致奇怪的結(jié)果：纏結(jié)的粒子即使互相遠(yuǎn)離，仍會(huì)表現(xiàn)為單一整體，這就是愛因斯坦所稱的、著名的“幽靈般的超距作用”。

物理學(xué)家通常講的是電子等基本粒子的纏結(jié)。這些粒子可粗略想象為旋轉(zhuǎn)的小陀螺，以順時(shí)針或逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸指向任意給定的方向：水平、垂直、45°角等。測(cè)量其自旋時(shí)，必須選定一個(gè)方向，觀測(cè)粒子是否沿著那個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

為了方便說明，假設(shè)粒子表現(xiàn)的是古典行為。你可以讓一個(gè)粒子沿水平軸順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)沿水平軸逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；如此一來，二者的總自旋為零。它們的轉(zhuǎn)動(dòng)軸在空間中是固定的，測(cè)量結(jié)果取決于你選的方向是否沿著粒子的轉(zhuǎn)動(dòng)軸。如果對(duì)二者都做水平軸的測(cè)量，則會(huì)看到兩個(gè)粒子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反；如果都做垂直軸的測(cè)量，則完全不會(huì)偵測(cè)到這兩個(gè)粒子的轉(zhuǎn)動(dòng)。

然而，如果是具有量子性質(zhì)的電子，則情況會(huì)驚人的不同。你可以讓粒子的總自旋為零，即使你沒有給定個(gè)別粒子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。測(cè)量其中一個(gè)粒子時(shí)，你會(huì)看到它隨機(jī)以順時(shí)針或逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，就好像粒子是自己決定要朝哪個(gè)方向轉(zhuǎn)。而且，不管你選擇測(cè)量哪個(gè)方向，只要對(duì)這兩個(gè)粒子測(cè)量同一方向，則測(cè)得的轉(zhuǎn)動(dòng)方向永遠(yuǎn)相反，一個(gè)順時(shí)針，一個(gè)逆時(shí)針。它們?cè)趺粗酪@樣做？這仍然是個(gè)極其神秘的性質(zhì)。不僅如此，如果你對(duì)一個(gè)粒子做水平軸測(cè)量，對(duì)另一個(gè)做垂直軸測(cè)量，則仍可測(cè)量到部分自旋，這就好像粒子沒有固定的轉(zhuǎn)動(dòng)軸。因此，測(cè)量結(jié)果是古典物理無(wú)法解釋的。

誰(shuí)在幫助原子排列？

大部分的纏結(jié)實(shí)驗(yàn)都只用到幾個(gè)粒子，因?yàn)橐淮笕毫Ｗ硬蝗菀赘艚^環(huán)境的影響，其中的粒子很容易跟無(wú)關(guān)的粒子纏結(jié)，破壞原始的內(nèi)在聯(lián)結(jié)。以去同調(diào)的說法，就是有太多信息滲漏到環(huán)境里，造成系統(tǒng)有古典的行為。對(duì)我們這些尋找纏結(jié)的實(shí)際用途（例如量子計(jì)算機(jī)）的研究人員來說，保持纏結(jié)是一項(xiàng)重要的挑戰(zhàn)。

2003年，有一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，如果能夠減少滲漏或加以抵消，則大的系統(tǒng)也可以保持纏結(jié)。

英國(guó)倫敦大學(xué)的加布里埃爾·阿普爾等人將一塊氟化鋰鹽放在外加的磁場(chǎng)里，鹽里的原子就像旋轉(zhuǎn)的小磁棒，會(huì)盡量與外加磁場(chǎng)同向，這種反應(yīng)表現(xiàn)為磁化率。原子間的作用力就像同儕壓力般，會(huì)讓它們更快排列整齊。研究人員改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，然后測(cè)量原子排得多快。他們發(fā)現(xiàn)，原子的反應(yīng)速度比彼此作用力的強(qiáng)度所能提供的還快。很顯然，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中有額外的效應(yīng)幫助原子排列整齊，而研究人員認(rèn)為這是纏結(jié)造成的。若真如此，則鹽塊里的10²⁰個(gè)原子形成了巨大的纏結(jié)態(tài)。

為了避免熱能所造成的無(wú)序運(yùn)動(dòng)，阿普爾的團(tuán)隊(duì)是在極低的溫度下做實(shí)驗(yàn)（僅千分之幾K）。不過，在那之后，巴西物理研究中心的亞歷山大·馬丁斯·德·蘇薩等人以室溫或更高的溫度，在銅羧酸鹽之類的材料里發(fā)現(xiàn)了宏觀纏結(jié)，自旋粒子間的交互作用強(qiáng)到可以抗拒熱能所造成的無(wú)序。在其他例子里，則必須用外力抵擋熱效應(yīng)。物理學(xué)家在越來越大、越來越高溫的系統(tǒng)里看到纏結(jié)：從以電磁場(chǎng)捕獲的離子到晶格里的超冷原子，再到超導(dǎo)量子位。

這些系統(tǒng)就像薛定諤的貓?？紤]一個(gè)原子或離子，其電子可能靠近或遠(yuǎn)離原子核（或是既靠近又遠(yuǎn)離）。這種電子就像薛定諤思想實(shí)驗(yàn)里可能衰變、也可能沒衰變的原子。不管電子在哪兒，這整個(gè)原子是可以向左或向右移動(dòng)的，運(yùn)動(dòng)方向是左或右就像貓是死的或活的。物理學(xué)家以激光操控原子；可以將這兩種性質(zhì)扯上關(guān)系。如果電子靠近原子核，就讓原子向左移動(dòng)；如果電子遠(yuǎn)離原子核，就讓原子向右移動(dòng)。如此一來，電子的狀態(tài)就跟原子的移動(dòng)纏結(jié)起來，如同原子衰變跟貓的狀態(tài)纏結(jié)起來一樣，同時(shí)既向左又向右移動(dòng)的原子，可以模擬既死又活的貓。

許多其他的實(shí)驗(yàn)也擴(kuò)展這種基本概念，使大量的原子也可以纏結(jié)，從而進(jìn)入古典物理不可能說明的狀態(tài)。如果大體積且高溫的固體可以纏結(jié)，我們只要稍用想象力就可以問：又大又暖和的特殊系統(tǒng)——生命，也是如此嗎？