在日常生活中，我们能体验到多少量子世界？

1878年，当年轻的普朗克（Max Planck）询问教授Philipp von Jolly，自己是否应该继续从事物理学研究时，这位教授奉劝他寻找另一份工作，因为物理学“可能在某些角落还能继续前进，在这里或那里可以做一点细微的整理工作，但是，整个系统是安稳的，显然，理论物理学正接近完成。”

事实证明，只是把其中一点点细微的整理工作做好，就让普朗克获得了诺贝尔物理学奖——并导致了量子力学的诞生。当时的物理学家有一个小烦恼，是关于一个很普通的现象：为什么物体在加热时会那样发光？所有材料，不管是由什么组成，随着温度的升高，都会表现出同样的行为：变红、变黄、变白。19世纪的物理学家无法解释这个看似简单的过程。

当时最好的理论预言，温度极高的物体会释放出无限的短波长能量，但是我们当然知道，即使强大的电流加热灯丝，也不会将其变成喷射死亡射线的物体，所以当时的科学家对这个问题困惑不已，并称之为“紫外灾难”。

1900年，普朗克找到了一个答案，他猜测，能量只能以离散的“量子”形式被吸收或发射。能量量子有效地限制了高温物体在任何温度下会释放的能量，让紫外灾难问题迎刃而解。这是对所谓的经典物理学的彻底背离，因为经典物理学认为能量的流动是平滑连续的。

量子革命就这样开始了。此后数十年，爱因斯坦、海森堡、玻尔和其他物理学家花费大量时间，把普朗克的灵感逐步转化为完整的理论，但这一切都始于没有人明白物体加热时到底发生了什么。

由此产生的量子理论处理的粒子尺寸和能量量级非常之小，脱离了我们的日常经验，对于我们这些哺乳动物的迟钝感官来说，几乎是觉察不到的。但是，并非完全看不见！一些量子效应明目张胆地隐藏在我们的视野中，比如来自火热太阳的光线，来自遥远星星的闪烁。

在日常生活中，我们能体验到多少量子世界？关于世界的真实本质，我们的感官能收集到什么样的信息？事实上，量子现象就发生在我们的鼻子、眼睛、皮肤等感官里。

我们如何闻到不同味道？

当你闻到桂花甜腻腻的香，或者花椒与鱼头那充满烟火气的香时，你的鼻子里到底发生了什么？对于鼻子，我们知之甚少，就连建造了世界上第一个核反应堆的物理学家费米，也曾经在炒洋葱时对朋友感叹道，如果理解嗅觉是如何工作的，该是多么有趣啊。

暖洋洋的午后，有人贴心地为你煮了一杯咖啡，醇香的分子飘散在空气中，你将这些分子吸入鼻孔，它们附着在鼻腔的粘液上，并嵌入嗅觉神经元。嗅觉神经元像水母的触须一样从大脑悬垂下来，是中枢神经系统中唯一持续暴露在外界环境的部分。

我们知道，这些分子会与嗅觉神经元表面400个不同受体中的某一些结合，但是，这种接触如何产生我们的嗅觉呢？我们其实并不是很清楚。

对于气味的工作原理，传统的解释似乎很简单：受体会和具有特殊形状的分子结合，就像只有正确的钥匙才能打开一把锁一样。根据这个模型，从你的咖啡杯里逃逸出来的每一个分子，都与你鼻子里的一组特定受体恰好契合。分子与嗅觉神经元上的受体结合，大脑接受到激活信号，并将之解释为咖啡的气味。也就是说，我们闻到了分子的形状。

但是这个模型有一个根本问题：形状和组成截然不同的分子，会产生同样的气味感觉。嗅觉中似乎还包括了比分子形状更多的东西，但是是什么呢？

一种仍有争议的观点表明，嗅觉感知还与分子的振动方式有关。根据不同结构，所有分子都在不断地以不同的速度振动。我们的鼻子能够以某种方式检测到这些振动频率的差异吗？

科学家发现，硫化合物具有独特的气味和特征分子振动，而另一种含有硼的分子具有与之不同的形状，但振动频率相同，令人惊奇的是，含有硼的分子也散发着硫磺味。在另一个实验中，科学家将一种麝香味香水中的一些氢分子替换成氘——氘是氢的同位素，含有额外的一个中子——结果发现，人们可以闻到其中的区别。氢和氘具有相同的形状，但振动频率不同，这再次表明，我们的鼻子确实可以检测到振动。

嗅觉可以感知到分子振动这一想法仍然有争议，但如果确实如此，我们的鼻子是如何感知到分子的振动呢？科学家推测，这可能涉及所谓的量子隧穿效应。

在量子力学中，电子和所有其他粒子都具有波粒二象性——既是粒子，又是波。这有时会让电子弥漫开来，以经典物理学的规则禁止的方式穿越材料。气味分子的振动可能恰好提供了合适的能量，使电子从气味受体的一个部分隧穿到另一个部分。对于不同分子，隧穿概率有所不同，从而触发神经脉冲，在大脑中产生对不同气味的感知。

那么，隐藏在我们鼻子里的可能是一个精密的电子探测器。然而，我们的鼻子是如何进化到懂得利用量子奇异性的呢？科学家认为，我们或许只是将生命的智慧低估了几个数量级，四十亿年的自然进化是一段很长的研发时间，因此，这也并非生命最令人惊奇的事情。

我们如何看见光？

你仍然在午后的阳光下，握着暖暖的咖啡杯，眨着眼睛，让透过窗户的光线进入眼睛。这些光子经历了8分钟多一点的时间，穿越了太阳和地球之间大约1.5亿公里的距离，进入你的眼睛。然而，这些光子的大部分旅程其实发生在太阳内部，在此之前，它们已经花费了100万年的时间才逃离了太阳，那时候，我们的非人类祖先刚开始使用火。

在太阳的核心，物质非常致密，光子只能旅行一段无限短的时间，就会被氢离子吸收，然后，这个过程会发射一个光子，再次进入这个不断被迅速终止的旅程，直到时间尽头。如果没有量子隧穿效应，太阳甚至永远不会发出这些光子。然而，经过大约1021次这样的相互作用，终于，一个光子在经历曲曲折折的漫长路径后，从太阳表面出现。

太阳和所有其他恒星都是通过核聚变反应而产生光：氢离子（质子）碰撞在一起形成氦，这个过程会释放能量，每秒钟，太阳将大约400万吨物质转化为能量。但是氢离子，也就是单个的质子，携带正电荷，自然地互相排斥，它们怎么可能融合呢？

在量子隧穿中，质子的波动特性使它们可以略微重叠，就像池塘水面上的涟漪一样，这种重叠使得质子波足够接近，因此，另一种仅在极短的距离内有效、却也更强的作用力——核力能够克服质子间的电斥力，最终，质子聚变，并释放出一个光子。

我们的眼睛已经进化到对这些光子非常敏感。最近的一些实验表明，我们的眼睛甚至可以探测到单个光子。这就提出了一种有趣的可能性：人类是否可以被用来测试量子力学的一些怪异特性？也就是说，一个人——就像光子、电子或薛定谔那只既死又活的倒霉猫一样——能直接参与到量子世界吗？这样的经历会是怎样的呢？

2016年，洛克菲勒大学的物理学家Alipasha Vaziri通过研究发现，人类确实可以看到单个光子，然而，视觉或许并不能准确描述这种体验，看到单个光子和看到光并不一样，这几乎是一种近乎想象的感觉。

在不久的将来，科学家期待可以通过实验测试，当光子进入奇怪的量子状态时，人们会感知到什么。例如，物理学家可以诱使单个光子进入所谓的叠加态，即单个光子同时存在于两个不同的位置。人们是否能够直接感知到光子的叠加态呢？科学家提出了两种实验情形：

一种情况下，光子会进入一个人视网膜的左侧或右侧，这个人会注意到自己在视网膜的哪一侧感觉到了光子。另一种情况下，光子会被置于量子叠加态，使其能够完成看似不可能的任务：同时到达视网膜的左右两侧。

那么，这个人会在视网膜的两侧都感知到光吗？或者像物理学家所说的那样，光子与眼睛的相互作用会导致叠加态“坍缩”到其中一个位置吗？如果是这样，光子会像理论所预测的那样，同样频繁地出现在视网膜的左右两侧吗？

洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家Rebecca Holmes解释说：“根据标准量子力学，处于叠加态的光子看起来可能与随机向左右两侧发射光子没有任何区别。” 如果参与实验的人确实同时在两个位置感知到了光子，这是否意味着这个人自己处于量子状态？对此，她回答道：“你可以说观察者在极短的时间内处于量子叠加态，但没有人尝试过，所以我们真的不知道。这正是做这个实验的充分理由。”

触觉究竟是什么？

仍然回到那杯咖啡，咖啡杯让人感觉很坚实——一大块固体物质与手的皮肤紧密接触。然而事实上，这不过是一种错觉：我们从来没有真正接触过任何东西，至少不是两大块固体物质聚集在一起。原子中99.9999999999%以上的空间都是空的，几乎所有的物质都集中在原子核中。

当你用手对杯子施加压力时，那种表面上的坚实感来自于杯子中电子的排斥力。电子本身没有任何体积——它们只是携带一个负电荷的、瞬息跳跃的、零维的点，像云一样围绕着原子和分子。

量子力学定律将电子限制在原子和分子周围的特定能级。当你的手抓着杯子的时候，会逼迫电子从一个能级跳跃到另一个能级，而这个过程需要来自手部肌肉的能量，大脑会将此解释为接触固体物质。

因此，我们的触觉来自于我们身体分子周围的电子和我们遇到的物体之间极其复杂的相互作用。从这些信息中，我们的大脑产生了这样一种错觉——我们拥有坚实的身体，并在一个充满其他实体的世界中移动。

进化并非为了感知现实

触觉并不能给我们一种准确的现实感。也许，我们所有的感知都与现实不符。加州大学欧文分校的认知神经科学家Donald Hoffman认为，我们的感官和大脑不断进化，是为了隐藏现实的真实本质，而不是为了揭示它。

Hoffman认为，不管现实是什么，都太过复杂，需要大脑花费太多时间和精力去处理。他将大脑构建的世界比喻为电脑的图形界面：屏幕上所有的彩色图标——垃圾桶、鼠标指针、文件夹——与电脑内部发生的事情毫无相似之处。这些图标是抽象、简化的，让我们能够与复杂的电子设备互动。

进化以类似的方式塑造我们的大脑，它不会以任何形式逼真地再现世界。进化并不利于精确感知的发展，而是奖励那些会提高生存能力的特征。对于自然来说，适应环境优先于感知现实。

因此，虽然一个生命体有可能构建更精确的现实表象，但这种表象并不能增强其生存能力。在某种程度上，我们是进化以适应环境，而不是来感知现实。

Hoffman的观点与一些物理学家所认为的量子理论的核心信息一致：现实并非完全客观的，我们不能把自己与我们观察的世界分开。Hoffman完全赞同这种观点：“空间只是一种数据结构，物理对象本身也是我们动态创建的数据结构。当我看到那边的山时，我创建了那个山的数据结构。然后我把视线移开，就抛弃了那个数据结构，因为我不再需要它了。”

Hoffman的工作表明，我们还没有掌握量子理论的全部意义，以及量子理论对现实本质的解释。

普朗克一生的大部分时间都在努力理解他帮助创建的量子理论，并且始终相信一个独立于我们存在的客观宇宙。他曾写道自己为什么决定不顾导师的建议而投身物理学：

“外部世界是独立于人的，是绝对的，对适用于绝对世界的规律的追求，在我看来，似乎是生命中最崇高的科学追求。”

也许再过一个世纪，再经过一次革命，才能证明普朗克到底是对的，还是像他的老师那样错得一塌糊涂。