引言
同一把鑰匙為什么不能同時出現在兩個地方？

有一件挺讓人困擾的事—我們日常生活中的物品是不能同時出現在兩個地方的。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。這一現象再正常不過，因為這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象。你的鑰匙由千千萬萬個原子組成，而其中的每一個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。我們人類循規蹈矩，在任一時間只會出現在一個地方，但原子卻常常劍走偏鋒。一個原子在實驗室里沿著一條路徑漫步時，遇到一個分叉，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，而是會在同一時間邁上兩條不同的道路，以表示對常規邏輯的蔑視。原子屬于另一個世界，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的世界，是科學界最成功的理論。通過量子物理，我們能夠以驚人的準確度預測出一系列神奇的自然現象，而它的影響也已經遠遠超出了微觀的范疇，延伸到了我們的日常生活中。

20世紀早期量子物理領域的發現直接催生了我們手機里的硅晶體管、手機屏幕里的發光二極管、空間探測器的核心技術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的整個化學學科，甚至還能解釋為什么固體是固體（比如你現在坐的椅子，還有你的骨頭和皮膚）。這一切的一切都源于微觀物質的一系列奇特性質。

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。我們的世界是由人以及鑰匙這類平凡的事物組成的。可是，我們這些在某一時間點只能出現在唯一一個地方的普通人，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的世界里成立？

這些問題的重點并不在于量子物理是一門奇怪的學科。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，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象如此不同？我們的鑰匙為什么不能同時出現在兩個地方？

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 Schr?dinger）深受這些問題的困擾。他為了向同事闡述他的迷惑，設計了一個著名的思想實驗：薛定諤的貓。

在這個實驗中，薛定諤把一只貓和一只裝著氰化物的玻璃瓶放進同一個盒子里，并在玻璃瓶上方懸掛一把錘子，使其與一個用來探測核輻射的蓋格計數器（Geiger Counter）相連，而計數器正對著一小塊放射性金屬放置。一旦金屬放出射線，這個繁復的機械組合就會被激活，蓋格計數器會松開錘子，將下面的玻璃瓶砸碎，從而毒死旁邊的貓。當然，動物保護協會的人不用擔心，薛定諤并沒有要把這個思想實驗付諸實踐的打算。薛定諤準備把貓放進盒子后，先擱置一會兒；然后，他會打開盒子，看看它命數幾何（見圖0.1）。

放射性金屬發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樂隊唱的《是去是留》（Should I Stay Or Should I Go）一樣，無法決定自己此時該何去何從。于是，它們決定既走又留。在盒子關著的時候，這塊猶豫不決的放射性金屬既發出了輻射，又沒有發出輻射。

由于這些粒子滿懷“朋克精神”，蓋格計數器既會探測到輻射，又不會探測到輻射；而這又會導致那個錘子既會砸碎裝著氰化物的玻璃瓶，同時又不會砸碎；這么一來，這只貓也既會死掉，又不會死掉。薛定諤指出，這是一個很嚴重的問題。盡管一個原子可以同時走在兩條不同的路徑上，但貓不會同時既是死的又是活的。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中的一種。

當時的許多科學家都一致反對這一看法。有人認為：在打開盒子之前，貓都處于一種既生又死的狀態之中，因為有了打開盒子往里面看的這個行為，貓才被迫在生死之間做出抉擇。還有人認為：因為閉合的盒子內部無法被觀測，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，那么探究它當時有沒有發出聲音就是沒有意義的。

薛定諤對他的貓的擔心并沒有因為這些爭論而減輕。他覺得其他人都沒抓住問題的關鍵：量子物理的理論之所以無法與現實世界完全吻合，是因為內容有所缺失。數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？在最基礎的層面上，到底什么才是真實，這其中又有怎樣的規律？然而，薛定諤的反對者贏得了勝利，薛定諤對量子世界實際發生的事情的擔憂被忽視了。物理學的其他部分繼續前進。

愛因斯坦-玻爾爭論：量子物理中不存在真實？

雖然薛定諤的想法很小眾，但他不是孤軍作戰。愛因斯坦同樣想搞明白量子世界的定律，并與偉大的丹麥物理學家玻爾就量子物理和現實世界的本質進行了一系列的爭論。如今，愛因斯坦-玻爾爭論已經成為物理學的一部分。通常的說法是玻爾贏了，而愛因斯坦和薛定諤都多慮了；量子物理中的現實沒有問題，因為從一開始就不需要考慮現實。

然而，量子物理肯定告訴了我們一些關于真實世界的情況。否則，它為什么會起作用呢？如果它跟真實世界完全沒有關系，為什么會被廣泛接受呢？即使這個理論只不過是模型，那它也肯定在模擬著什么，而且做得相當好。量子理論能夠以無與倫比的精確度對物理現象做出預測，這背后一定是有原因的。

我們很難說清楚量子物理具體預測了什么，一方面是因為這個理論實在太奇怪了。量子物理的世界跟現實世界完全沒有任何相似之處，量子物體的本性看上去很矛盾—不僅有同時存在于兩個地方的粒子，既發出又沒發出的射線，還有許多其他奇怪的現象。比如，處于異地的量子物體之間可以瞬時產生極細微的聯系，這一點無助于直接通信，卻對算法和加密十分有用。此外，受量子物理“管轄”的物體并沒有尺寸上限。實驗物理學家幾乎每個月都會制作出精巧的設備，讓越來越大的物體展現出奇異的量子特性，也越發讓人質疑量子現象是否真的獨立于我們的日常生活。

以上這些還不是量子物理最令人費解的地方，甚至都不是最大的難題。自量子物理誕生直到現在，所有物理學家都同意量子物理的理論本身是成立的。但至于它到底意味著什么，大家爭論了90年都無法達成共識。以玻爾為首的大多數物理學家一直在質疑這個問題本身。他們認為：不管量子物理的理論多么準確，我們都不應該也不可能去探究量子世界里到底發生了什么；量子理論沒有更深層的意義，因為其中的物體并不真實存在。

量子現象的怪異讓許多舉足輕重的物理學家篤定地宣稱：量子物理證明了微小的物體不像我們熟悉的物體那樣真實存在，因此在量子物理中談論真實是不可能的；這個理論中沒有，也不可能有任何關于真實世界的故事。

這種態度的普遍程度簡直匪夷所思。物理本就是探索世界、研究宇宙的組成和運行的科學。許多物理學家之所以會從事這個行業，就是因為想要了解自然界的原理，并解開其中的謎題。可一旦涉及量子物理，大多數物理學家便完全忘記了這個初衷。借用物理學家戴維·默明（David Mermin）的話，他們這時候選擇“閉上嘴，埋頭算”。

更不可思議的是，這種主流的說法早已被一次次地推翻。盡管許多人認為玻爾在與愛因斯坦的爭論中獲得了最后的勝利，愛因斯坦卻明顯在辯論的過程中占了上風，并有理有據地指出，量子物理有許多核心問題尚待解決。某些反對薛定諤的人，敷衍地將他對何為真實的疑問直接稱為“不科學的”—這實在是站不住腳的陳舊理念。更何況，在反對陣營中，已經有人在不降低量子物理準確性的情況下，通過其他方法將量子物理和現實世界結合了起來。

這些有望成功的學說已證明“量子物理中不存在真實”是一個錯誤的偏見。即便如此，大多數物理學家還是多多少少持有這樣的想法。學校里都是這么教的，面向大眾的科普也是這么講的。盡管正統的說法壓根說不通，其他的猜想卻依然被看作非正統的小眾理論。

因此，在量子理論誕生近100多年后的今天，雖然量子物理已經徹底改變了我們的世界和世界中每一個人的生活，我們卻依然不知道這些理論到底跟所謂的真實有什么關系。這個奇異的故事便是本書的主題。

為什么要探究量子物理對真實世界的意義

這個故事的來龍去脈十分有趣，但在物理學界之外，它幾乎不為人知。是啊，為什么要關心這個？反正量子物理的理論肯定是成立的。這么說來，物理學家也不用管這些，畢竟用量子物理預測出來的結果都很準確，難道這還不夠嗎？

但是，科學可不僅僅是有數字和預測就足夠的。科學的目的是搭建起一個關于自然的認知系統。它承載著我們對身邊世界的理解，是人類日常科學研究的基礎，也為未來的科學發展乃至科研之外的人類活動指引方向。

任意一組算式都可以有千萬種不同的詮釋方法，科學的發展依賴于我們不斷地去篩選這些詮釋，不斷地挑出目前最完美的學說中的漏洞。最前沿的學說決定了科學家會設計出怎樣的實驗，也決定了這些實驗的結果如何被詮釋。愛因斯坦早就說過：“實驗結果取決于理論基礎。”

這句話在科學史上一次次地應驗。伽利略（Galileo）并沒有發明天文望遠鏡，但他是第一個想到用功能強大的望遠鏡去觀測木星的人，因為他相信木星是顆行星，像地球一樣繞著太陽旋轉。在這以后，大家開始用天文望遠鏡觀察彗星、星云和星團，但沒人想到用望遠鏡去驗證日食時太陽的引力是否會讓星光產生彎曲。

伽利略成功觀測到木星3個世紀后，愛因斯坦的廣義相對論才預測到了這一現象，人們也才完成了這個實驗。科學界的根基是人類目前所有理論的總和，其中不僅有數學模型，還有這些數學模型試圖去講述的，關于這個世界的故事。這個故事是科學的核心，也是我們進一步突破科學前沿的基礎。

在科學界之外，科學講述的故事也會滲入人類的文化中，改變我們看待生活甚至看待自己的方式。我們知道了地球不是宇宙的中心，知道了達爾文的進化論，知道了宇宙的起源和發展（大爆炸和宇宙膨脹）。到現在，我們已經知道了宇宙長達140億年的漫長歷史，也知道了它包含數以千億計的星系。科學的發展徹底改變了人類對自身的認識。量子物理的理論是成立的，但如果我們不去探究它對真實世界的意義，我們對這個世界的認知就會留下一塊空白，也會錯過人類科學研究歷程中的一個重要故事。

具體來說，它是一個關于失敗的故事：故事中的人們未能跨學科思考，未能將科學追求與巨額資金等的影響隔離開，未能實現科學的理想。科學影響了我們身邊世界的方方面面，所有熱愛思考的人都應該將這個教訓銘記于心。本書講述了一段人類科學研究史上的故事。