引言：同一把鑰匙為什么不能同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方？

有一件挺讓人困擾的事我們?nèi)粘Ｉ�活中的物品是不能同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方的。如果你把鑰匙落在了外套口袋里，它就不會在門口的掛鉤上等著你。這一現(xiàn)象再正常不過，因?yàn)檫@些物品本就平淡無奇，不具備什么神秘的超能力。

不過，這些稀松平常的物品背后，卻暗藏了諸多不凡的現(xiàn)象。你的鑰匙由千千萬萬個(gè)原子組成，而其中的每一個(gè)都來自億萬年前某顆瀕死的恒星。它們沐浴過早期太陽劇烈運(yùn)動帶來的熾熱光輝，見證了我們星球上所有生命的興衰。原子簡直是史詩！

史詩中的英雄總要面對一些凡人沒有的問題，原子也一樣。我們?nèi)祟愌��?guī)蹈矩，在任一時(shí)間只會出現(xiàn)在一個(gè)地方，但原子卻常常劍走偏鋒。一個(gè)原子在實(shí)驗(yàn)室里沿著一條路徑漫步時(shí)，遇到一個(gè)分叉，它可以向左或向右移動。若換作你我，就必須選擇是往左還是往右，可原子在這時(shí)卻會猶豫再三，無法決斷。于是，在生存與毀滅之間，小小的哈姆雷特原子決定兩個(gè)都選。它并不會將自己劈成兩半，也不會先往左再往右，而是會在同一時(shí)間邁上兩條不同的道路，以表示對常規(guī)邏輯的蔑視。原子屬于另一個(gè)世界，主宰你我和丹麥王子哈姆雷特的物理定律并不能主宰它它屬于迥然不同的、微觀的量子世界。

量子物理探索的是屬于原子、分子以及亞原子粒子等微觀物質(zhì)的世界，是科學(xué)界最成功的理論。通過量子物理，我們能夠以驚人的準(zhǔn)確度預(yù)測出一系列神奇的自然現(xiàn)象，而它的影響也已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了微觀的范疇，延伸到了我們的日常生活中。

20世紀(jì)早期量子物理領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)直接催生了我們手機(jī)里的硅晶體管、手機(jī)屏幕里的發(fā)光二極管、空間探測器的核心技術(shù)和超市里用來掃碼的激光。量子物理能夠解釋為什么太陽會發(fā)光，也能解釋為什么我們的眼睛可以看見光。它能夠完整地闡述包括元素周期表在內(nèi)的整個(gè)化學(xué)學(xué)科，甚至還能解釋為什么固體是固體（比如你現(xiàn)在坐的椅子，還有你的骨頭和皮膚）。這一切的一切都源于微觀物質(zhì)的一系列奇特性質(zhì)。

奇怪的是，量子物理好像并不適用于人類，或者任何與人類體積接近的物質(zhì)。我們的世界是由人以及鑰匙這類平凡的事物組成的。可是，我們這些在某一時(shí)間點(diǎn)只能出現(xiàn)在唯一一個(gè)地方的普通人，卻偏偏是由量子物理主宰的粒子組成的。那么，到底是什么讓我們的世界與量子的世界天差地別？為什么量子物理只在微觀物質(zhì)的世界里成立？

這些問題的重點(diǎn)并不在于量子物理是一門奇怪的學(xué)科。這世界本就千奇百怪，怪事到處都是；問題在于我們在日常生活中并不能看見量子物理導(dǎo)致的種種奇觀。這又是為什么呢？

或許量子物理只適用于微小的物質(zhì)，一旦物體的尺寸超過了一定范圍，它就會失效。若真是這樣，這個(gè)范圍到底是什么，又是由什么決定的？

如果并沒有這樣的一個(gè)范圍，如果量子物理真的適用于我們，就像它適用于原子和亞原子粒子一樣，那么量子物理為何與我們身邊的物理現(xiàn)象如此不同？我們的鑰匙為什么不能同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方？

薛定諤的貓

80年前，量子物理的奠基人之一埃爾溫·薛定諤（Erwin Schrdinger）深受這些問題的困擾。他為了向同事闡述他的迷惑，設(shè)計(jì)了一個(gè)著名的思想實(shí)驗(yàn)：薛定諤的貓。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，薛定諤把一只貓和一只裝著氰化物的玻璃瓶放進(jìn)同一個(gè)盒子里，并在玻璃瓶上方懸掛一把錘子，使其與一個(gè)用來探測核輻射的蓋格計(jì)數(shù)器（Geiger Counter）相連，而計(jì)數(shù)器正對著一小塊放射性金屬放置。一旦金屬放出射線，這個(gè)繁復(fù)的機(jī)械組合就會被激活，蓋格計(jì)數(shù)器會松開錘子，將下面的玻璃瓶砸碎，從而毒死旁邊的貓。當(dāng)然，動物保護(hù)協(xié)會的人不用擔(dān)心，薛定諤并沒有要把這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)付諸實(shí)踐的打算。薛定諤準(zhǔn)備把貓放進(jìn)盒子后，先擱置一會兒；然后，他會打開盒子，看看它命數(shù)幾何（見圖0.1）。

放射性金屬發(fā)出的輻射由亞原子粒子組成，它們從金屬中的原子中分離出來，隨后高速飛離。跟所有足夠小的東西一樣，這些亞原子粒子是遵循量子物理定律的。它們并不在意莎士比亞的生還是死，而是像 The Clash 樂隊(duì)唱的《是去是留》（Should I Stay Or Should I Go）一樣，無法決定自己此時(shí)該何去何從。于是，它們決定既走又留。在盒子關(guān)著的時(shí)候，這塊猶豫不決的放射性金屬既發(fā)出了輻射，又沒有發(fā)出輻射。

由于這些粒子滿懷朋克精神，蓋格計(jì)數(shù)器既會探測到輻射，又不會探測到輻射；而這又會導(dǎo)致那個(gè)錘子既會砸碎裝著氰化物的玻璃瓶，同時(shí)又不會砸碎；這么一來，這只貓也既會死掉，又不會死掉。薛定諤指出，這是一個(gè)很嚴(yán)重的問題。盡管一個(gè)原子可以同時(shí)走在兩條不同的路徑上，但貓不會同時(shí)既是死的又是活的。我們打開盒子之后會看到，這只貓要么活，要么死。因此，在打開盒子之前的一瞬，這只貓必然只能處于這兩種狀態(tài)中的一種。

當(dāng)時(shí)的許多科學(xué)家都一致反對這一看法。有人認(rèn)為：在打開盒子之前，貓都處于一種既生又死的狀態(tài)之中，因?yàn)橛辛舜蜷_盒子往里面看的這個(gè)行為，貓才被迫在生死之間做出抉擇。還有人認(rèn)為：因?yàn)殚]合的盒子內(nèi)部無法被觀測，而無法被觀測的事件并不具備意義，所以在打開盒子之前討論盒子里的事是枉然的。對于這些人來說，無法觀測就無須討論。就好比如果一棵樹倒在了森林里，而旁邊沒有人，那么探究它當(dāng)時(shí)有沒有發(fā)出聲音就是沒有意義的。

薛定諤對他的貓的擔(dān)心并沒有因?yàn)檫@些爭論而減輕。他覺得其他人都沒抓住問題的關(guān)鍵：量子物理的理論之所以無法與現(xiàn)實(shí)世界完全吻合，是因?yàn)閮?nèi)容有所缺失。數(shù)量巨大的原子究竟是如何通過量子物理的定律組成我們身邊的世界的？在最基礎(chǔ)的層面上，到底什么才是真實(shí)，這其中又有怎樣的規(guī)律？然而，薛定諤的反對者贏得了勝利，薛定諤對量子世界實(shí)際發(fā)生的事情的擔(dān)憂被忽視了。物理學(xué)的其他部分繼續(xù)前進(jìn)。