根據標準物理教科書，量子力學是微觀世界的理論。它描述了粒子、原子和分子，但在梨、人與行星的宏觀尺度上讓位於普通的經典物理學。在分子和梨之間存在一個邊界，量子行為的奇異性在此結束，而經典物理學的熟悉性開始。量子力學僅限於微觀世界的印象滲透到公眾對科學的理解中。例如，哥倫比亞大學物理學家布賴恩·格林在他非常成功（以及其他方面都很出色）的著作《優雅的宇宙》的第一頁寫道，量子力學“為理解最小尺度上的宇宙提供了理論框架。” 經典物理學，包括任何非量子理論，包括阿爾伯特·愛因斯坦的相對論，處理的是最大的尺度。
然而，這種對世界的便捷劃分是一個神話。很少有現代物理學家認為經典物理學與量子力學具有同等地位；它只是對一個在所有尺度上都是量子的世界的有用近似。儘管量子效應在宏觀世界中可能更難看到，但原因與尺寸本身無關，而與量子系統彼此相互作用的方式有關。在過去的十年之前，實驗主義者尚未證實量子行為持續存在於宏觀尺度上。然而，今天，他們經常這樣做。這些效應比任何人曾經懷疑的都更普遍。它們可能在我們身體的細胞中運作。
即使是我們這些以研究這些效應為職業的人，也尚未理解它們在告訴我們關於自然運作的什麼。量子行為難以形象化，也不符合常識。它迫使我們重新思考我們看待宇宙的方式，並接受我們世界的一個新的和不熟悉的圖景。
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糾纏的故事
對於量子物理學家來說，經典物理學是彩色世界的黑白影像。我們的經典範疇未能捕捉到那個世界的所有豐富性。在舊的教科書觀點中，豐富的色調隨著尺寸的增加而褪色。單個粒子是量子的；成群結隊地，它們是經典的。但尺寸不是決定因素的第一個線索可以追溯到物理學中最著名的思想實驗之一，薛定諤的貓。
埃爾溫·薛定諤在 1935 年提出了他那病態的場景，以說明微觀世界和宏觀世界如何相互耦合，從而阻止在它們之間劃出任意界限。量子力學說，一個放射性原子可以同時處於衰變和未衰變狀態。如果原子與一瓶貓毒藥相連，以至於如果原子衰變貓就會死亡，那麼這隻動物就會像原子一樣陷入相同的量子僵局。一方的怪異性感染了另一方。尺寸無關緊要。謎題是為什麼貓主人只看到他們的寵物是活的還是死的。
在現代觀點中，世界看起來是經典的，因為物體與其周圍環境的複雜相互作用共同作用，將量子效應從我們的視野中隱藏起來。例如，關於貓的健康狀況的資訊，以光子和熱交換的形式迅速洩漏到其環境中。獨特的量子現象涉及不同經典狀態（例如既死又活）的組合，而這些組合往往會消散。資訊的洩漏是稱為退相干過程的本質 [參見“量子奧秘百年”，作者：馬克斯·泰格馬克和約翰·阿奇博爾德·惠勒；大眾科學，2001 年 2 月]。
較大的事物往往比較小的事物更容易受到退相干的影響，這證明了為什麼物理學家通常可以放心地將量子力學視為微觀世界的理論。但在許多情況下，資訊洩漏可以減緩或停止，然後量子世界就會向我們展現它的全部輝煌。典型的量子效應是糾纏，薛定諤在 1935 年的同一篇論文中創造了這個術語，這篇論文將他的貓介紹給了世界。糾纏將單個粒子結合成一個不可分割的整體。經典系統始終是可分的，至少在原則上是如此；它所具有的任何集體屬性都來自本身具有某些屬性的元件。但是，糾纏系統無法以這種方式分解。糾纏具有奇怪的後果。即使糾纏的粒子相距遙遠，它們仍然表現為一個單一的實體，導致愛因斯坦著名地稱之為“遠距離的幽靈般的動作”。
通常物理學家談論的是諸如電子等基本粒子對的糾纏。這些粒子可以被粗略地認為是小的旋轉陀螺，它們順時針或逆時針旋轉，它們的軸指向任何給定的方向：水平、垂直、45 度角等等。要測量粒子的自旋，您必須選擇一個方向，然後檢視粒子是否在該方向上自旋。
假設，為了論證，電子的行為是經典的。您可以設定一個電子以水平順時針方向旋轉，另一個電子以水平逆時針方向旋轉；這樣，它們的總自旋為零。它們的軸在空間中保持固定，當您進行測量時，結果取決於您選擇的方向是否與粒子的軸對齊。如果您水平測量它們，您會看到它們都以相反的方向旋轉；如果您垂直測量它們，您將檢測不到任何一個的自旋。
然而，對於量子電子，情況卻截然不同，令人驚訝。即使您沒有指定它們的各個自旋是什麼，您也可以設定粒子使其總自旋為零。當您測量其中一個粒子時，您會看到它隨機地順時針或逆時針旋轉。這就像粒子自己決定朝哪個方向旋轉一樣。然而，無論您選擇哪個方向測量電子，只要對於兩者都相同，它們將始終以相反的方式旋轉，一個順時針，另一個逆時針。它們是如何知道要這樣做的？這仍然完全神秘。更重要的是，如果您水平測量一個粒子，垂直測量另一個粒子，您仍然會檢測到每個粒子的一些自旋；看來粒子沒有固定的旋轉軸。因此，測量結果的匹配程度是經典物理學無法解釋的。
合二為一
大多數糾纏演示最多涉及少數粒子。較大的批次更難與周圍環境隔離。其中的粒子更可能與雜散粒子糾纏，從而模糊它們最初的互連。根據退相干的語言，洩漏到環境中的資訊過多，導致系統表現出經典行為。對於我們這些尋求利用這些新穎效應進行實際用途（例如量子計算機）的人來說，保持糾纏的困難是一個主要挑戰。
2003 年的一個巧妙實驗證明，當洩漏減少或以某種方式抵消時，較大的系統也可以保持糾纏。倫敦大學學院的加布裡埃爾·艾普利和他的同事們取了一塊氟化鋰鹽，並將其置於外部磁場中。您可以將鹽中的原子視為試圖與外部磁場對齊的小型旋轉磁鐵，這種響應稱為磁化率。原子彼此施加的力充當一種同伴壓力，使它們更快地排列成行。當研究人員改變磁場強度時，他們測量了原子排列的速度。他們發現原子的響應速度遠快於它們相互作用的強度所暗示的速度。顯然，某種額外的效應正在幫助原子一致行動，研究人員認為糾纏是罪魁禍首。如果是這樣，那麼鹽的 1020 個原子形成了一個巨大的糾纏態。
為了避免與熱能相關的隨機運動的混淆效應，艾普利團隊在極低的溫度下（幾毫開爾文）進行了實驗。然而，從那時起，里約熱內盧巴西物理研究中心的亞歷山大·馬丁斯·德索薩和他的同事們在室溫和更高溫度下的羧酸銅等材料中發現了宏觀糾纏。在這些系統中，粒子自旋之間的相互作用足夠強，足以抵抗熱混沌。在其他情況下，外力可以抵禦熱效應 [參見“來也匆匆，去也匆匆”，作者：喬治·穆瑟；新聞掃描，《大眾科學》，2009 年 11 月]。物理學家已經觀察到糾纏現象出現在尺寸和溫度不斷增加的系統中，從被電磁場捕獲的離子到晶格中的超冷原子，再到超導量子位元。
這些系統類似於薛定諤的貓。考慮一個原子或離子。它的電子可以存在於靠近原子核的位置，也可以存在於更遠的位置——或者兩者同時存在。這樣的電子就像薛定諤思想實驗中處於衰變或未衰變狀態的放射性原子。與電子正在做什麼無關，整個原子可以移動，例如，向左或向右。這種運動扮演著死貓或活貓的角色。物理學家使用雷射來操縱原子，可以將這兩種屬性耦合起來。如果電子靠近原子核，我們可以使原子向左移動，而如果電子離得更遠，原子則向右移動。因此，電子的狀態與原子的運動糾纏在一起，就像放射性衰變與貓的狀態糾纏在一起一樣。既活又死的貓被一個既向左又向右移動的原子所模仿。
其他實驗放大了這個基本思想，以至於大量的原子變得糾纏，並進入經典物理學認為不可能的狀態。如果固體即使在體積大且溫暖時也能糾纏，那麼只需稍微發揮一下想象力，就可以問問對於一種非常特殊的大型溫暖系統：生命，情況是否也可能如此。
薛定諤的鳥
歐洲知更鳥是一種狡猾的小鳥。每年，它們都會從斯堪的納維亞半島遷徙到赤道非洲溫暖的平原，並在春天返回，那時北方的天氣變得更加宜人。知更鳥以自然的方式輕鬆地完成了大約 13,000 公里的往返行程。
人們長期以來一直想知道鳥類和其他動物是否可能有一些內建的指南針。在 1970 年代，德國法蘭克福大學的沃爾夫岡·維爾茨科和羅絲維塔·維爾茨科夫婦捕獲了正在遷徙到非洲的知更鳥，並將它們置於人工磁場中。奇怪的是，他們發現知更鳥對磁場方向的反轉毫不在意，這表明它們無法區分南北。然而，鳥類確實對地球磁場的傾角做出了反應——即磁力線與地表所成的角度。這就是它們導航所需要的全部。有趣的是，蒙上眼睛的知更鳥根本沒有對磁場做出反應，這表明它們以某種方式用眼睛感知磁場。
2000 年，當時在南佛羅里達大學的物理學家索爾斯滕·裡茨（他對候鳥充滿熱情）和他的同事們提出，糾纏是關鍵。在他們的設想中，該設想建立在伊利諾伊大學的克勞斯·舒爾滕的先前工作的基礎上，鳥的眼睛中有一種分子，其中兩個電子形成一個總自旋為零的糾纏對。這種情況根本無法用經典物理學來模仿。當這種分子吸收可見光時，電子獲得足夠的能量分離並變得容易受到外部影響，包括地球磁場。如果磁場傾斜，它會以不同的方式影響兩個電子，從而產生不平衡，從而改變分子經歷的化學反應。眼睛中的化學通路將這種差異轉化為神經衝動，最終在鳥的大腦中建立磁場的影像。
儘管裡茨機制的證據是間接的，但牛津大學的克里斯托弗·T·羅傑斯和金典裡·前田在實驗室（而不是在活體動物體內）研究了類似於裡茨的分子，並表明這些分子確實由於電子糾纏而對磁場敏感。根據我的同事和我所做的計算，量子效應在鳥眼中持續存在約 100 微秒——在這種情況下，這已經是很長的時間了。人工設計的電子自旋系統的記錄約為 50 微秒。我們尚不清楚自然系統如何能夠將量子效應保持如此之久，但答案可能會為我們提供如何保護量子計算機免受退相干影響的想法。
糾纏可能起作用的另一種生物過程是光合作用，即植物將陽光轉化為化學能的過程。入射光將電子從植物細胞內部射出，而這些電子都需要找到通往同一地點的路徑：化學反應中心，在那裡它們可以沉積能量並引發為植物細胞提供燃料的反應。經典物理學無法解釋它們執行此操作的近乎完美的效率。
加州大學伯克利分校的格雷厄姆·R·弗萊明、莫漢·薩羅瓦爾及其同事以及多倫多大學的格雷戈裡·D·斯科爾斯等多個小組的實驗表明，量子力學解釋了該過程的高效率。在量子世界中，粒子不必一次只走一條路徑；它可以同時走所有路徑。植物細胞內的電磁場會導致其中一些路徑相互抵消，而另一些路徑則相互加強，從而降低電子走浪費彎路的機率，並增加電子直接被引導到反應中心的機率。
糾纏只會持續一瞬間，並且會涉及不超過約 100,000 個原子的分子。自然界中是否存在更大、更持久的糾纏例項？我們不知道，但這個問題足以激發一門新興學科：量子生物學。
這一切的意義
對於薛定諤來說，貓既活又死的可能性是荒謬的；任何做出如此預測的理論肯定是有缺陷的。幾代物理學家都對這種不適感同身受，並認為量子力學將不再適用於更大的尺度。在 1980 年代，牛津大學的羅傑·彭羅斯提出，對於質量超過 20 微克的物體，引力可能會導致量子力學讓位於經典物理學，而三位義大利物理學家——的裡雅斯特大學的吉安卡洛·吉拉迪和托馬索·韋伯以及帕維亞大學的阿爾貝託·裡米尼——提出，大量粒子會自發地表現出經典行為。但現在的實驗幾乎沒有為這些過程的運作留下空間。量子世界和經典世界之間的劃分似乎並非根本性的。這只是一個實驗技巧問題，現在很少有物理學家認為經典物理學會在任何尺度上真正捲土重來。如果有什麼不同的話，普遍的看法是，如果更深層次的理論最終取代量子物理學，它將表明世界比我們迄今為止所看到的任何事物都更加違反直覺。
因此，量子力學適用於所有尺度的事實迫使我們面對該理論最深刻的奧秘。我們不能簡單地將它們視為僅僅在非常小的尺度上才重要的細枝末節。例如，空間和時間是兩個最基本的經典概念，但根據量子力學，它們是次要的。糾纏是主要的。它們在不參考空間和時間的情況下互連量子系統。如果量子世界和經典世界之間存在分界線，我們可以使用經典世界的空間和時間來為描述量子過程提供框架。但是，如果沒有這樣的分界線——並且，實際上，沒有一個真正的經典世界——我們就失去了這個框架。我們必須解釋空間和時間是如何從根本上無空間和無時間的物理學中產生的。
反過來，這種洞察力可能有助於我們將量子物理學與物理學的另一大支柱——愛因斯坦的廣義相對論——調和起來，後者用時空幾何來描述引力。廣義相對論假設物體具有明確定義的位置，並且永遠不會同時位於多個位置——這與量子物理學直接矛盾。許多物理學家，例如劍橋大學的斯蒂芬·霍金，認為相對論必須讓位於更深層次的理論，在這種理論中，空間和時間不存在。經典時空透過退相干過程從量子糾纏中產生。
一個更有趣的可能性是，引力本身不是一種力，而是宇宙中其他力的量子模糊性產生的殘餘噪聲。這種“誘導引力”的思想可以追溯到 1960 年代的核物理學家和蘇聯持不同政見者安德烈·薩哈羅夫。如果屬實，它不僅會將引力從基本力的地位中降級，而且還表明“量化”引力的努力是誤入歧途。引力甚至可能在量子層面不存在。
像我們這樣的宏觀物體處於量子僵局的含義令人難以置信，以至於我們物理學家仍然處於困惑和驚奇的糾纏狀態。