在法国格勒诺布尔的劳厄-朗之万研究所——这里的核反应堆能制造出世界上最强的中子束，物理学家用中子束变了一个“魔术”，一个迄今为止只存在于理论物理狂热幻想中的魔术，这个魔术将改变我们对“真实”的认识。
“量子柴郡猫”现象
　　 这究竟是什么样的魔术？一支国际物理学家团队成功“哄骗”中子脱掉了它们自旋（中子的本征属性之一）的“外衣”，“裸奔”过来。更为神奇的是，科学家竟然让中子脱下的“外衣”也朝自己“走”过来。
　　 早在十多年前，理论物理学家就设想了这个神奇的“魔术”，并把它命名为“量子柴郡猫”现象。柴郡猫是英国童话故事《爱丽丝漫游奇境记》中虚构出的一个角色，它的形象是一只咧着嘴笑的猫，拥有能凭空出现或消失的能力，最令人称奇的是，在它消失之后，它的笑容仍然能挂在半空中。现在，“量子柴郡猫”现象第一次在实验中露出了那神秘的“微笑”，好像在问：“你们见过真实的世界吗？”
　　 量子力学理论诞生于20世纪20年代，它取得了非常大的成功，随后近百年的科学历史中几乎没有实验违背过量子力学理论的预测。这使物理学家坚信，量子力学理论可以准确描述原子和组成原子的基础粒子的微观世界。
　　 然而，量子力学理论也是一个让人感到相当费解的理论，它的很多设想超越了人们从日常经验中产生的对这个世界的认识。比如，根据量子力学理论，一个粒子可以同时存在于两个不同的地方——它不是一会儿在这里，一会儿在那里，而是同时既在这里又在那里；粒子可以在顺时针旋转的同时又在逆时针旋转；量子力学理论甚至允许粒子瞬间穿越整个宇宙而相互影响。这些都让普通人难以想象！
　　 为什么微观世界会这样，而日常生活中却好像从来没有发生过这样的事？这仍然是一个未解之谜。
　　 “我们不认为人类凭直觉就能深刻理解量子力学理论，所以，物理学家始终坚持进行那些无法通过日常生活理解的令人震惊的探索。”美国加利福尼亚州查普曼大学的杰夫·托勒克森如是说。这样的探索使理论和实验物理学家得以自由地拓展量子力学理论的适用范围，不断寻找线索，探寻是什么让它得以成立。
　　 
弱测量
　　 理论先说这么多。当科学家想用实验去验证这些理论时，出现了一个严重的问题。在古典力学世界，一个物体可以处在一个状态或者另一个状态，比如它可以顺时针旋转或者逆时针旋转。但是，在量子力学世界，粒子可以同时顺时针旋转和逆时针旋转，它处于一种状态叠加之中。
　　 “叠加态”是量子力学理论的基本假设之一，一些科学实验也证实了它的存在。但是，我们无法看到这样的叠加态，因为一旦科学家直接去测量它，就会迫使粒子坍缩到一个唯一的状态，即测量行为本身破坏了它的状态。这种“简单粗暴”的测量方法抹杀了粒子的量子行为，同样，尝试去测试未来发生的事件是否会影响到当前的粒子也是不可能的。
　　 如果理论和实验物理学家就此放弃，那么这个故事说到这里也就结束了。然而，他们并没有放弃探索那些看似荒诞的设想。他们提出了一个开创性的理论，这个理论表明，存在一种不同于以往的测量方法，一个可以不破坏量子态的测量方法。只要在做测量时，测量设备与被测量的粒子只进行非常弱的交互，你就可以搜集到它的信息而不使它坍缩到一个唯一的态上。但这种不破坏粒子的量子性质的“弱测量”方法的代价是它会有很大的不确定性。
　　 这意味着只进行一次弱测量并不能得到确切的结果，但是，谁规定只能测量一次呢？物理学家阿哈罗诺夫的研究小组决定对一群相同的粒子进行弱测量。不确定性意味着每次的测量值都不同，但是，如果把大量的测量值绘制在一张图上，就会产生一个钟形曲线，其峰值便会表示出粒子的状态。如此一来，弱测量为科学家提供了一种测试时间对称性的方法。
　　 不用说，弱测量的想法一开始肯定无法简单实现。“刚开始大家都充满了怀疑。”阿哈罗诺夫回忆道。然而，随着时间的推移，技术的提高，在过去的十几年中，弱测量逐渐从理论走向了现实。这让物理学家得以通过实验，研究量子世界中那些曾被认为是无法研究的领域，如测量粒子的波函数。
　　 20世纪90年代，实验物理学家搞清楚了怎么做弱测量，与此同时托勒克森开始跟随导师阿哈罗诺夫读博士，研究课题就是量子力学的理论基础。阿哈罗诺夫曾经在理论上证明了，过去和未来都会通过“诡异”的方式影响到当前粒子的状态。在弱测量出现后，他又证实当一个粒子在过去测量方法（相对于弱测量的“强测量”方法）的探测下，其自旋只能有+1/2或-1/2两种状态，但在弱测量时却可以表现出100种自旋状态。
　　 更神奇的是，阿哈罗诺夫和托勒克森发现，过去和未来的影响竟然可以导致粒子与它的属性分离，如果放在人身上，这就相当于一个人的肉体与他的灵魂发生了分离。阿哈罗诺夫和托勒克森将这个现象命名为“量子柴郡猫”现象，这个名字也是在向理论物理学中著名的“薛定谔之猫”致敬。
　　 
粒子与其属性的分离
　　 早在2001年，托勒克森就在博士论文中阐述了自己的“思想实验”。在他的构想中，这个实验从一个被称为“预选取”的步骤开始，即首先制备出大量的自旋状态相同的中子。
　　 这些中子被一个接一个地送到一个名为中子干涉仪的装置中。干涉仪的第一站是分光仪，顾名思义它的功能是将光束（中子束）一分为二。于是，一束中子被分为两束，其中每一束无须选择它们要走哪条路，它们能同时走两条路，而这两条路径上分别设有一个弱测量设备。这种实验技术称为中子干涉测量法，是一种研究量子力学的理想工具。最终，两条路径重新汇聚在一起，其中一部分中子被输出后将接受强测量，比如测量现在中子处在什么自旋状态。只有满足期待条件的中子会被留下，这个过程称为“后选择”，实验者会丢弃不满足期待条件的其他中子。
　　 在这个过程中，怪事发生了。对于干涉仪中的中子而言，预选取和后选择分别是过去和未来的事件。然而，如果你只观察那些被后选择的中子，数学上会发现所有这些中子在干涉仪中都是沿着一条路径过来，而它们的自旋却是沿着另一条路径过来的。这就好像你有两个盒子，一个全是不带属性的粒子，另一个全是粒子的属性，却没有一个粒子。“这实在是太疯狂了！”托勒克森感叹道。
　　 纸上谈兵当然容易，但“量子柴郡猫”真的会出现在现实中吗？为了找到答案，研究人员不得不尝试真的对中子进行弱测量。此前，还没有任何一个科研团队做过类似的事，所以托勒克森决定与奥地利维也纳科技大学的实验物理学家——他们非常擅长测量中子——合作完成这项实验。
　　 在格勒诺布尔，这支技术精湛的实验团队利用弱磁场和弱中子吸收仪进行弱测量。实验发现，当弱中子吸收仪被放在干涉仪的一条路径中（比如左边）时，在输出端会有一个明显的响应。但是，当他们把它放在右边时，完全没有响应。一定是中子只从一条路径通过了。
　　 接着，实验者引入了弱磁场到干涉仪的每个路径附近，用来与中子的自旋相互作用。当它们在左路径这样做时，输出端没有变化。但当磁场靠近右路径的时候，输出发生了变化，磁场和自旋发生了相互作用。换言之，他们已经证实了自旋选择了没有中子的路径。他们看到了柴郡猫留下的笑容。
　　 “我们先让中子处于一种特定的初始状态，然后选择另一种状态，这样就能在干涉仪中检测到两条路径。”维也纳技术大学的托比厄斯·丹克梅尔说，“在其中一条路径上，中子本身与我们的检测设备结合，而在另一条路径上，检测结果却显示出对磁自旋耦合的敏感，即检测出它的属性。系统的表现就好像中子本身在空间上与它的属性分离了。”
什么是“真实”
　　 “我们可以就此开创一种全新的物理学，我才刚刚开始了解其中的意义。”阿哈罗诺夫说。
　　 当然这一切都关乎一个更大的问题：什么是真实？这取决于你怎么理解弱测量值。
　　 “这就像盲人摸象。”加拿大多伦多大学研究弱测量的专家伊法廉·斯坦伯格说道，“但这些弱测量摸到的‘部位’是如何组成‘大象’的呢？我们还需进一步探寻。”
　　 如果你确信这些弱测量的结果是真实的，那么一个粒子真的可以有各种奇怪的自旋性质，中子也确实可以和它的属性相分离。“我相信这些都是量子系统的真实物理特性。”阿哈罗诺夫说，“当你对一个量子系统进行预选取然后再选择时，你会看到一个全新的‘真实’。”
　　 该如何用这个现象解释之前提到的量子力学的时间对称方程呢？未来真的可以影响当下吗？对此斯坦伯格持谨慎态度：“我认为这项实验结果很容易被过度解读。我不会说今天我挖到一个恐龙骨骼，是这个事件导致了这只恐龙在6500万年前的死亡。我不认为未来真的在影响过去，对于时间的双向流动应该理解为未来的信息可以传递给我们关于现在或过去的信息。”
　　 托勒克森指出，用时间对称方程来预测“量子柴郡猫”实验的弱测量结果是简单而优雅的。但是，试图用此去解释时间单向流逝的传统力学中的现象，会显得呆板，甚至不合时宜。“物理学为了能更清晰地认识真实，往往追求简洁优雅。但对于现实中时间是否是对称的这个问题，现在下结论还为时过早。”斯坦伯格说。
但是有一点是明确的，“量子柴郡猫”现象违背了我们关于物质的直觉。一个原子和它的属性分开是什么意思？没有人能给出明确的解释。第一个回答可能会来自实验物理学家对中子电偶极矩的成功测量，这将是重大进展，给人类一个对量子世界的真实管中窥豹的机会。
双向的时间
　　 其中一个这样的拓展开始于约50年前，当时，以色列著名物理学家雅克·阿哈罗诺夫（现在就职于查普曼大学），提出了一个很基本的问题：在量子力学中，时间必须如我们直观感受的那样“时如逝水，永不回头”吗？研究证明，答案是否定的——至少在数学上是这样。
　　 阿哈罗诺夫和他的同事彼得·伯格曼、乔尔·莱伯维茨一起，建立了一个理论，给出了一个量子力学的时间对称方程，其中无视了时间的常识性概念。他们展示了量子系统下的某个状态，是如何同时被过去发生的事和未来发生的事所左右——在这里时间流动是双向的。
“这是第一次有人在论文中放弃了关于时间的经验假设：在微观层面，时间像我们人类日常感受到的一样，是单向流动的，即不对称的。”托勒克森说。
“量子柴郡猫”的应用
　　 
　　 实验成功了，那我们应该用它来做些什么呢？研究人员指出，这种违背人类直觉的效果对以量子干涉为基础的高精检测具有重要意义。
　　 一些人建议，可以将它用来测量中子的电偶极矩（一种构成粒子的带电夸克分布的性质）。之前用来解释宇宙大爆炸之后为什么没有明显的反物质遗留的理论，预言了中子具有微小电偶极矩，这个实验刚好可以用来检验这个预测是否准确。过去的测量一无所获，可能是因为中子具有很强的磁矩（自旋），影响了实验结果。
　　 “如果我们能分离出中子的磁矩，就可以做这个很微妙的实验，以检查它是否真的有一个非常微弱的电偶极矩。”阿哈罗诺夫说。劳厄-朗之万研究所的彼得·伯格曼也支持这么做，他认为：“这真是一个了不起的实验，把这个测量技术引入到测量中子的电偶极矩中将非常令人兴奋。如果成功，无疑会增加我们测量的灵敏度。”
　　 “自旋并不是中子等粒子唯一可以失去的属性。”阿哈罗诺夫这样解释，“唯一不能从粒子中分离出来的性质是它的数量，其他的一切都像是柴郡猫的笑容，你可以把它从猫身上分离出来。”
　　 维也纳技术大学的斯蒂芬·斯伯纳说：“当量子系统有一个你想检测的属性，而另一个属性会给系统增加干扰时，如果能用这种‘量子柴郡猫’把二者分开，或许就可以把干扰减到最小。”
考虑到没有什么粒子不具有“量子柴郡猫”的性质——光子、电子、甚至是原子，托勒克森认为这有可能被用于量子计算。量子计算的一个难点就是如何把粒子从破坏它的量子叠加性的干扰中独立出来，“量子柴郡猫”实验可以把粒子的不稳定属性与粒子本身相分离，从而得到更稳定的量子计算机。