引言
同一把钥匙为什么不能同时出现在两个地方？

有一件挺让人困扰的事—我们日常生活中的物品是不能同时出现在两个地方的。如果你把钥匙落在了外套口袋里，它就不会在门口的挂钩上等着你。这一现象再正常不过，因为这些物品本就平淡无奇，不具备什么神秘的超能力。

不过，这些稀松平常的物品背后，却暗藏了诸多不凡的现象。你的钥匙由千千万万个原子组成，而其中的每一个都来自亿万年前某颗濒死的恒星。它们沐浴过早期太阳剧烈运动带来的炽热光辉，见证了我们星球上所有生命的兴衰。原子简直是史诗！

史诗中的英雄总要面对一些凡人没有的问题，原子也一样。我们人类循规蹈矩，在任一时间只会出现在一个地方，但原子却常常剑走偏锋。一个原子在实验室里沿着一条路径漫步时，遇到一个分叉，它可以向左或向右移动。若换作你我，就必须选择是往左还是往右，可原子在这时却会犹豫再三，无法决断。于是，在生存与毁灭之间，小小的哈姆雷特原子决定两个都选。它并不会将自己劈成两半，也不会先往左再往右，而是会在同一时间迈上两条不同的道路，以表示对常规逻辑的蔑视。原子属于另一个世界，主宰你我和丹麦王子哈姆雷特的物理定律并不能主宰它—它属于迥然不同的、微观的量子世界。

量子物理探索的是属于原子、分子以及亚原子粒子等微观物质的世界，是科学界最成功的理论。通过量子物理，我们能够以惊人的准确度预测出一系列神奇的自然现象，而它的影响也已经远远超出了微观的范畴，延伸到了我们的日常生活中。

20世纪早期量子物理领域的发现直接催生了我们手机里的硅晶体管、手机屏幕里的发光二极管、空间探测器的核心技术和超市里用来扫码的激光。量子物理能够解释为什么太阳会发光，也能解释为什么我们的眼睛可以看见光。它能够完整地阐述包括元素周期表在内的整个化学学科，甚至还能解释为什么固体是固体（比如你现在坐的椅子，还有你的骨头和皮肤）。这一切的一切都源于微观物质的一系列奇特性质。

奇怪的是，量子物理好像并不适用于人类，或者任何与人类体积接近的物质。我们的世界是由人以及钥匙这类平凡的事物组成的。可是，我们这些在某一时间点只能出现在唯一一个地方的普通人，却偏偏是由量子物理主宰的粒子组成的。那么，到底是什么让我们的世界与量子的世界天差地别？为什么量子物理只在微观物质的世界里成立？

这些问题的重点并不在于量子物理是一门奇怪的学科。这世界本就千奇百怪，怪事到处都是；问题在于我们在日常生活中并不能看见量子物理导致的种种奇观。这又是为什么呢？

或许量子物理只适用于微小的物质，一旦物体的尺寸超过了一定范围，它就会失效。若真是这样，这个范围到底是什么，又是由什么决定的？

如果并没有这样的一个范围，如果量子物理真的适用于我们，就像它适用于原子和亚原子粒子一样，那么量子物理为何与我们身边的物理现象如此不同？我们的钥匙为什么不能同时出现在两个地方？

薛定谔的猫

80年前，量子物理的奠基人之一埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）深受这些问题的困扰。他为了向同事阐述他的迷惑，设计了一个著名的思想实验：薛定谔的猫。

在这个实验中，薛定谔把一只猫和一只装着氰化物的玻璃瓶放进同一个盒子里，并在玻璃瓶上方悬挂一把锤子，使其与一个用来探测核辐射的盖格计数器（Geiger Counter）相连，而计数器正对着一小块放射性金属放置。一旦金属放出射线，这个繁复的机械组合就会被激活，盖格计数器会松开锤子，将下面的玻璃瓶砸碎，从而毒死旁边的猫。当然，动物保护协会的人不用担心，薛定谔并没有要把这个思想实验付诸实践的打算。薛定谔准备把猫放进盒子后，先搁置一会儿；然后，他会打开盒子，看看它命数几何（见图0.1）。

放射性金属发出的辐射由亚原子粒子组成，它们从金属中的原子中分离出来，随后高速飞离。跟所有足够小的东西一样，这些亚原子粒子是遵循量子物理定律的。它们并不在意莎士比亚的“生还是死”，而是像The Clash乐队唱的《是去是留》（Should I Stay Or Should I Go）一样，无法决定自己此时该何去何从。于是，它们决定既走又留。在盒子关着的时候，这块犹豫不决的放射性金属既发出了辐射，又没有发出辐射。

由于这些粒子满怀“朋克精神”，盖格计数器既会探测到辐射，又不会探测到辐射；而这又会导致那个锤子既会砸碎装着氰化物的玻璃瓶，同时又不会砸碎；这么一来，这只猫也既会死掉，又不会死掉。薛定谔指出，这是一个很严重的问题。尽管一个原子可以同时走在两条不同的路径上，但猫不会同时既是死的又是活的。我们打开盒子之后会看到，这只猫要么活，要么死。因此，在打开盒子之前的一瞬，这只猫必然只能处于这两种状态中的一种。

当时的许多科学家都一致反对这一看法。有人认为：在打开盒子之前，猫都处于一种既生又死的状态之中，因为有了打开盒子往里面看的这个行为，猫才被迫在生死之间做出抉择。还有人认为：因为闭合的盒子内部无法被观测，而无法被观测的事件并不具备意义，所以在打开盒子之前讨论盒子里的事是枉然的。对于这些人来说，无法观测就无须讨论。就好比如果一棵树倒在了森林里，而旁边没有人，那么探究它当时有没有发出声音就是没有意义的。

薛定谔对他的猫的担心并没有因为这些争论而减轻。他觉得其他人都没抓住问题的关键：量子物理的理论之所以无法与现实世界完全吻合，是因为内容有所缺失。数量巨大的原子究竟是如何通过量子物理的定律组成我们身边的世界的？在最基础的层面上，到底什么才是真实，这其中又有怎样的规律？然而，薛定谔的反对者赢得了胜利，薛定谔对量子世界实际发生的事情的担忧被忽视了。物理学的其他部分继续前进。

爱因斯坦-玻尔争论：量子物理中不存在真实？

虽然薛定谔的想法很小众，但他不是孤军作战。爱因斯坦同样想搞明白量子世界的定律，并与伟大的丹麦物理学家玻尔就量子物理和现实世界的本质进行了一系列的争论。如今，爱因斯坦-玻尔争论已经成为物理学的一部分。通常的说法是玻尔赢了，而爱因斯坦和薛定谔都多虑了；量子物理中的现实没有问题，因为从一开始就不需要考虑现实。

然而，量子物理肯定告诉了我们一些关于真实世界的情况。否则，它为什么会起作用呢？如果它跟真实世界完全没有关系，为什么会被广泛接受呢？即使这个理论只不过是模型，那它也肯定在模拟着什么，而且做得相当好。量子理论能够以无与伦比的精确度对物理现象做出预测，这背后一定是有原因的。

我们很难说清楚量子物理具体预测了什么，一方面是因为这个理论实在太奇怪了。量子物理的世界跟现实世界完全没有任何相似之处，量子物体的本性看上去很矛盾—不仅有同时存在于两个地方的粒子，既发出又没发出的射线，还有许多其他奇怪的现象。比如，处于异地的量子物体之间可以瞬时产生极细微的联系，这一点无助于直接通信，却对算法和加密十分有用。此外，受量子物理“管辖”的物体并没有尺寸上限。实验物理学家几乎每个月都会制作出精巧的设备，让越来越大的物体展现出奇异的量子特性，也越发让人质疑量子现象是否真的独立于我们的日常生活。

以上这些还不是量子物理最令人费解的地方，甚至都不是最大的难题。自量子物理诞生直到现在，所有物理学家都同意量子物理的理论本身是成立的。但至于它到底意味着什么，大家争论了90年都无法达成共识。以玻尔为首的大多数物理学家一直在质疑这个问题本身。他们认为：不管量子物理的理论多么准确，我们都不应该也不可能去探究量子世界里到底发生了什么；量子理论没有更深层的意义，因为其中的物体并不真实存在。

量子现象的怪异让许多举足轻重的物理学家笃定地宣称：量子物理证明了微小的物体不像我们熟悉的物体那样真实存在，因此在量子物理中谈论真实是不可能的；这个理论中没有，也不可能有任何关于真实世界的故事。

这种态度的普遍程度简直匪夷所思。物理本就是探索世界、研究宇宙的组成和运行的科学。许多物理学家之所以会从事这个行业，就是因为想要了解自然界的原理，并解开其中的谜题。可一旦涉及量子物理，大多数物理学家便完全忘记了这个初衷。借用物理学家戴维·默明（David Mermin）的话，他们这时候选择“闭上嘴，埋头算”。

更不可思议的是，这种主流的说法早已被一次次地推翻。尽管许多人认为玻尔在与爱因斯坦的争论中获得了最后的胜利，爱因斯坦却明显在辩论的过程中占了上风，并有理有据地指出，量子物理有许多核心问题尚待解决。某些反对薛定谔的人，敷衍地将他对何为真实的疑问直接称为“不科学的”—这实在是站不住脚的陈旧理念。更何况，在反对阵营中，已经有人在不降低量子物理准确性的情况下，通过其他方法将量子物理和现实世界结合了起来。

这些有望成功的学说已证明“量子物理中不存在真实”是一个错误的偏见。即便如此，大多数物理学家还是多多少少持有这样的想法。学校里都是这么教的，面向大众的科普也是这么讲的。尽管正统的说法压根说不通，其他的猜想却依然被看作非正统的小众理论。

因此，在量子理论诞生近100多年后的今天，虽然量子物理已经彻底改变了我们的世界和世界中每一个人的生活，我们却依然不知道这些理论到底跟所谓的真实有什么关系。这个奇异的故事便是本书的主题。

为什么要探究量子物理对真实世界的意义

这个故事的来龙去脉十分有趣，但在物理学界之外，它几乎不为人知。是啊，为什么要关心这个？反正量子物理的理论肯定是成立的。这么说来，物理学家也不用管这些，毕竟用量子物理预测出来的结果都很准确，难道这还不够吗？

但是，科学可不仅仅是有数字和预测就足够的。科学的目的是搭建起一个关于自然的认知系统。它承载着我们对身边世界的理解，是人类日常科学研究的基础，也为未来的科学发展乃至科研之外的人类活动指引方向。

任意一组算式都可以有千万种不同的诠释方法，科学的发展依赖于我们不断地去筛选这些诠释，不断地挑出目前最完美的学说中的漏洞。最前沿的学说决定了科学家会设计出怎样的实验，也决定了这些实验的结果如何被诠释。爱因斯坦早就说过：“实验结果取决于理论基础。”

这句话在科学史上一次次地应验。伽利略（Galileo）并没有发明天文望远镜，但他是第一个想到用功能强大的望远镜去观测木星的人，因为他相信木星是颗行星，像地球一样绕着太阳旋转。在这以后，大家开始用天文望远镜观察彗星、星云和星团，但没人想到用望远镜去验证日食时太阳的引力是否会让星光产生弯曲。

伽利略成功观测到木星3个世纪后，爱因斯坦的广义相对论才预测到了这一现象，人们也才完成了这个实验。科学界的根基是人类目前所有理论的总和，其中不仅有数学模型，还有这些数学模型试图去讲述的，关于这个世界的故事。这个故事是科学的核心，也是我们进一步突破科学前沿的基础。

在科学界之外，科学讲述的故事也会渗入人类的文化中，改变我们看待生活甚至看待自己的方式。我们知道了地球不是宇宙的中心，知道了达尔文的进化论，知道了宇宙的起源和发展（大爆炸和宇宙膨胀）。到现在，我们已经知道了宇宙长达140亿年的漫长历史，也知道了它包含数以千亿计的星系。科学的发展彻底改变了人类对自身的认识。量子物理的理论是成立的，但如果我们不去探究它对真实世界的意义，我们对这个世界的认知就会留下一块空白，也会错过人类科学研究历程中的一个重要故事。

具体来说，它是一个关于失败的故事：故事中的人们未能跨学科思考，未能将科学追求与巨额资金等的影响隔离开，未能实现科学的理想。科学影响了我们身边世界的方方面面，所有热爱思考的人都应该将这个教训铭记于心。本书讲述了一段人类科学研究史上的故事。