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，但在梨子、人類和行星的宏觀尺度上讓位於普通的經典物理學。在分子和梨子之間的某個地方，量子行為的奇異性結束，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萊恩·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》的第一頁中寫道，量子力學“為理解最小尺度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，處理最大的尺度。
然而，這種對世界的方便劃分是一個神話。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；它只是一個有用的近似，即世界在所有尺度上都是量子的。儘管量子效應可能在宏觀世界中更難看到，但這並非尺寸本身的結果，而是量子系統彼此相互作用的方式的結果。
多年來，實驗學家們無法證實量子行為在宏觀尺度上持續存在。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。它們甚至可能在我們身體的細胞中運作。
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量子行為難以視覺化和符合常識。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。
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。在舊教科書的觀點中，隨著尺寸的增加，豐富的色調變得黯然失色。單個粒子是量子的；塊狀物質是經典的。但是，尺寸不是決定因素的線索可以追溯到著名的薛定諤貓的思想實驗。
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，從而防止在它們之間劃出任意界限。量子力學認為，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，那麼這隻動物就與原子存在於相同的量子邊緣狀態。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或死的。
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量交換的形式迅速洩漏到其環境中。資訊的洩漏導致了不同經典狀態（例如死和活）的組合——這是量子現象如此獨特的特徵——透過一個稱為退相干的過程而消散 [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]。
較大的物體往往比小的物體更容易受到退相干的影響。這就是物理學家通常將量子力學視為微觀世界理論的原因。但在許多情況下，資訊洩漏可以減緩或停止——然後量子世界以其全部榮耀向我們展示自己。
典型的量子效應是糾纏，它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，至少在原則上是這樣；它所具有的任何集體屬性都來自其組成部分的組合屬性。但是，糾纏系統無法以這種方式解剖。糾纏的一個奇怪結果是，糾纏粒子表現為一個單一實體，即使它們相距遙遠。愛因斯坦曾將這種效應稱為“鬼魅般的超距作用”。
實驗通常會糾纏基本粒子對，例如電子。您可以將這些粒子想象成小的旋轉陀螺，它們圍繞可以指向任何方向的軸順時針或逆時針旋轉：水平、垂直或介於兩者之間的某個角度。要測量粒子的自旋，您必須首先選擇一個方向。然後，您可以測試粒子是否在該方向上旋轉。
假設電子實際上表現得像經典粒子。您可以設定一個電子沿水平順時針方向旋轉，另一個電子沿水平逆時針方向旋轉；這樣，它們的自旋之和為零。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水平軸對齊。如果對齊，那麼您會看到它們以相反的方向旋轉，但如果您垂直測量它們，則似乎都沒有任何自旋。
然而，在真實實驗中，結果卻出奇地不同，因為真實電子遵循量子規則。即使您沒有指定它們的單個自旋是什麼，您也可以將粒子設定為總自旋為零。然後，當您測量其中一個粒子時，您會隨機看到它順時針或逆時針旋轉。這就像粒子自己決定旋轉方向一樣。然而，無論您選擇哪個方向來測量電子（前提是對兩者都相同），它們總是以相反的方式旋轉，一個順時針，另一個逆時針。
它們是如何知道這樣做的？這仍然完全是個謎。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非零自旋，這意味著粒子沒有固定的旋轉軸。經典物理學無法解釋這一點。
作為一個整體行動
大多數糾纏演示最多涉及少量粒子。較大批次的糾纏粒子更難隔離；它們傾向於與雜散粒子形成不必要的糾纏，從而掩蓋其原始的相互連線。洩漏到環境中的資訊過多，然後系統表現得像經典系統。對於我們這些試圖利用這些新穎效應進行實際應用（例如量子計算機）的人來說，保持糾纏的難度是一個主要挑戰。
但是 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。當時在倫敦大學學院的加布裡埃爾·埃普利和他的同事將一塊氟化鋰鹽放在外部磁場中。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體。原子彼此施加力，這起到一種同伴壓力的作用，使它們更快地對齊。隨著研究人員改變磁場的強度，他們測量了原子對齊的速度。
他們發現原子的反應速度比其相互作用的強度所暗示的要快得多。顯然，一些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，則 1020 個鹽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，埃普利的研究小組在極低的溫度（幾毫開爾文）下進行了實驗。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或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，外力可以阻止熱效應 [參見 “來去自如”，作者：喬治·穆瑟；新聞掃描，《大眾科學》，2009 年 11 月]。物理學家已經在溫度和尺寸不斷增加的系統中看到了糾纏，從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 [見下表]。
這些系統類似於薛定諤的貓。考慮一個原子或離子。它的電子可以靠近原子核或更遠——或者同時處於兩種狀態。這樣的電子就像薛定諤的思想實驗中已經衰變或尚未衰變的放射性原子一樣。獨立於電子的運動狀態，整個原子可以移動，例如向左或向右。這種運動起著死貓或活貓的作用。透過用雷射操縱原子，物理學家可以將這兩種屬性耦合起來。然後，如果電子靠近原子核，原子就會向左移動；如果電子較遠，原子就會向右移動。電子的狀態與原子的運動糾纏在一起，就像放射性衰變與薛定諤貓的狀態糾纏在一起一樣。
透過放大這個基本思想，實驗學家們已經將大量原子糾纏成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度高時也可以糾纏，那麼我們可以問，對於一種非常特殊的大型高溫系統：生命，是否也可能如此。
薛定諤的鳥
歐洲知更鳥是狡猾的小鳥。每年，它們都會從斯堪的納維亞半島遷徙到溫暖的非洲赤道平原，並在春天返回，那時北方的天氣變得更加宜人。知更鳥以自然的輕鬆導航大約 13,000 公里的往返行程。
長期以來，人們一直在想，鳥類和其他動物是否可能有一些內建的指南針。在 20 世紀 70 年代，德國法蘭克福大學的沃爾夫岡和羅絲維塔·威爾奇科夫婦捕捉了正在遷徙到非洲的知更鳥，並將它們放入人工磁場中。奇怪的是，知更鳥似乎對磁場方向的反轉毫不在意；它們無法區分南北。然而，鳥類確實對地磁場的傾角做出反應——即磁力線與地面的夾角。這就是它們導航所需要的全部。有趣的是，矇住眼睛的知更鳥根本不對磁場做出反應，這表明它們以某種方式用眼睛感知磁場。
2000 年，對候鳥充滿熱情的物理學家托爾斯滕·裡茨（現任加州大學歐文分校）和他的同事提出，糾纏是關鍵。他們的場景建立在伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的克勞斯·J·舒爾滕先前工作的基礎上，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擬。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。眼睛中的化學途徑將這種差異轉化為神經衝動，最終在鳥的大腦中形成磁場的影像。
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·羅傑斯和現任日本埼玉大學的前田紀實實驗室研究了類似於裡茨的分子，並表明電子糾纏確實使這些分子對磁場敏感。
我和我的同事所做的計算表明，量子效應在鳥的眼睛中持續存在約 100 微秒——在這種情況下，這是一個很長的時間。人工工程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這麼長時間，但答案可能會為我們提供有關如何保護量子計算機免受退相干影響的想法。
光合作用，植物將陽光轉化為化學能的過程，也可能涉及糾纏。入射光在植物細胞內部射出電子，這些電子都需要找到通往同一位置的路徑：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實現這一目標的近乎完美的效率。
加州大學伯克利分校的格雷厄姆·R·弗萊明和他的同事、桑迪亞國家實驗室的莫漢·薩羅瓦爾和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。
最終效果是降低電子走浪費的彎路的機率，並增加它直接前往反應中心的機率。糾纏只會持續不到一秒，並且涉及的分子原子數不超過約 100,000 個。自然界中是否存在更大、更持久的糾纏例項？我們不知道，但這個問題足夠令人興奮，可以刺激一個新興學科：量子生物學。
這一切的意義
薛定諤認為貓既活著又死了的前景是荒謬的；任何做出這種預測的理論肯定是有缺陷的。幾代物理學家都認同這種不適，並認為量子力學將不再適用於更大的尺度。在 20 世紀 80 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得像經典粒子。
但現在的實驗幾乎沒有給這些過程留下運作空間。量子世界和經典世界之間的劃分似乎不是根本性的。這只是一個實驗技巧的問題，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。如果說有什麼不同的話，那就是普遍的看法是，如果更深層次的理論取代量子物理學，它將表明世界比我們迄今為止看到的任何事物都更違反直覺。
量子力學適用於所有尺度這一事實迫使我們面對該理論最深奧的奧秘。我們不能簡單地將它們視為僅僅在微觀領域才重要的細枝末節。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相互連線量子系統。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為描述量子過程提供框架。但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湧現出來的。
反過來，這種洞察力可能有助於我們調和量子物理學與物理學的另一個偉大支柱——愛因斯坦的廣義相對論，廣義相對論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，在該理論中，經典時空透過退相干過程從量子糾纏中湧現出來。
引力甚至可能不是一種自身的力量，而是宇宙中其他力量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 20 世紀 60 年代的核物理學家安德烈·薩哈羅夫。如果這是真的，它不僅會降低引力作為基本力的地位，還會表明“量子化”引力的努力是誤入歧途的。引力甚至可能在量子層面根本不存在。
宏觀物體（例如我們的人體）處於量子邊緣狀態的含義已經足夠令人震驚，以至於我們物理學家仍然處於糾纏的困惑和驚奇狀態。