量子物理學(xué)研究的進(jìn)展無疑為人類鋪就了一條讓幻想走向現(xiàn)實(shí)的道路。物理學(xué)家已成功地發(fā)送了光子和原子。目前，他們正對更大的物體和在更過的距離上進(jìn)行傳輸研究。那么，何時到人呢？
最美妙的靈感常常產(chǎn)生于缺錢的時候：60年代初，美國電影劇本作家吉納?羅登貝瑞就因?yàn)槭诸^拮據(jù)而創(chuàng)造了一個世界性的神話。那時，他計劃拍一部給成人看的科幻系列電影，正在尋找一種適當(dāng)?shù)耐緩�，讓定航員在外星球登陸。然而，資金的缺乏不允許他每星期都拍攝一艘宇宙飛船的登陸。
這位聰明的作家找到的解決辦法是：在一臺魔術(shù)裝置中，宇航員消失得無影無蹤，然后再降落到任何一處希望抵達(dá)的地點(diǎn)。他繪聲繪色地描述了全部過程，其中，提到一個必須調(diào)準(zhǔn)的“輸送焦距”，并聲稱，宇航員經(jīng)由“掃描”和“蜚物質(zhì)化”，被暫時安置在一個“結(jié)構(gòu)儲存器”中：關(guān)于輸送裝置，他只是含糊其辭地稱之為“環(huán)狀鎖閉發(fā)射器”。就這樣，一個令人驚異的“空間置換”的故事被搬上了銀幕；在科幻系列電影《星球旅行》中，空間置換是一件非常普通的事情，除了平淡地說一句“發(fā)射我吧，蘇格蘭人！”之外，沒有人會把它當(dāng)作話題來談?wù)摗?/p>
“發(fā)射我吧，蘇格蘭人”：
對于科幻系列電影《星球旅行》中的探險隊來說：“發(fā)射”屬于日常發(fā)生的事情。但對于我們現(xiàn)在的地球人而言，這樣一種輸送方式還是空想。但是，用光速“輸送”人體的最初試驗(yàn)畢竟已經(jīng)開始。
可是，對于我們這些還未實(shí)現(xiàn)這一夢想的地球人來說，這一天才的靈感不僅給我們留下了深刻的印象，而且也喚起了最美好的幻想：誰不向往自己有一天會被發(fā)射出去，或進(jìn)人太陽，或去休假，或去任何一個地方呢？事實(shí)上，許多人已在思考，可否以某種方式輕而易舉地完成地點(diǎn)變換。
其中一個人就是美國物理學(xué)家勞倫斯?克勞斯。他的研究結(jié)果表明：在我們發(fā)射自己去休假之前，還有一大堆“家務(wù)活”要先一步完成�？藙谒姑鞔_地指出，要把一個人運(yùn)送出去，還存在著巨大的和幾乎不可解決的問題。
第一個問題是：人的身體是由物質(zhì)組成的，如果用光速把人的身體移動到另一個地點(diǎn)，那么，就必須將它“唯物質(zhì)化”。經(jīng)這位物理學(xué)家計算，單單突破原子核內(nèi)部的限定力，就必須把身體加熱到1萬億度──一這比太陽內(nèi)部的熱度還要高幾百倍。只有在這一溫度下，物質(zhì)才能變?yōu)楣�，并通過光速輸送到任何一個地點(diǎn)。對每一個被輸送的人來說，所使用的能量要超過迄今為止人類全部能量消耗的大約1000倍。
第二個問題是：發(fā)射儀器必須在目的地將物質(zhì)重新組合起來。為了知道如何組合，它就需要獲得人體所有原子結(jié)構(gòu)的精確信息。據(jù)克勞斯估計，每一個原子約為1000字節(jié)，諸如原子的位置，原子之間的關(guān)系，原子的能量水平，原子的振蕩狀態(tài)等等，描述一個人體的所有原子總共需要1031字節(jié)！
這一信息量究竟有多大，可進(jìn)行一番比較：世界上全部圖書所含有的信息為1015字節(jié)，僅是完整描述一個人所需要的信息的1億億分之一。僅傳輸這些數(shù)據(jù)，即使對今天速度最快的計算機(jī)來說，也會花去比宇宙年齡還要長2000倍的時間。
前面兩個問題，也許通過未來技術(shù)的發(fā)展可以得到解決，但第三個問題卻是一個原則性的問題：精確描述人的原子結(jié)構(gòu)，從根本上來說是不可能的。理由就是：海森伯測不準(zhǔn)原理。根據(jù)這一尤其在微觀粒子層面上產(chǎn)生效應(yīng)的原理，我們不可能準(zhǔn)確地確定一個粒子的特征。例如，如果我們想知道一個粒子的位置，那么我們就會失去所有關(guān)于它的速度的信息，反之亦然。
《星球旅行》的創(chuàng)作者則巧妙地將這一問題蒙混了過去。他們發(fā)明了一臺使發(fā)射成為可能的“海森伯補(bǔ)償器”。當(dāng)問到這臺補(bǔ)償器是如何進(jìn)行工作時，該影片的技術(shù)顧問邁克爾?奧庫達(dá)的回答便是：“好的，謝謝！”
科學(xué)家們當(dāng)然不會如此簡單地解決問題。因斯布魯克大學(xué)的蔡林格教授和他的研究小組成功地解決了上述3個問題中最難的第三個問題。他們制造了一個基本粒子的模型，并讓它出現(xiàn)在另一個地點(diǎn)。由此可以說，他們發(fā)射了人類的第一個粒子！他們的方法是：放棄測定所發(fā)射的原粒子的特征──即只發(fā)送粒子，而不認(rèn)識粒子。
為了弄清這一方法是怎樣獲得成功的，我們必須稍稍深入奇異的微觀粒子世界。在這里，最有效的是對我們?nèi)祟惾拷】道碇怯枰猿芭牧孔恿W(xué)的法則，對此物理學(xué)大師尼爾斯?玻爾風(fēng)趣地說：“誰能思考量子理論而又沒被它搞得頭暈?zāi)垦�，誰就沒有真正理解量子理論�！�
在量子世界中，粒子不只是對我們隱蔽它們的特征，而且還可能同時處于矛盾的狀態(tài)之中：一個普通的、單色的球要么是紅的，要么是綠的；但一個量子球卻可能同時是紅的和綠的，就像一種50％紅和50％綠的混合。只有在我們?nèi)ビ^察它的時刻，才會從各種不同可能性的糾纏中產(chǎn)生出一個獨(dú)一無二的現(xiàn)實(shí)：在一部分情況下，它向我們顯現(xiàn)為紅，在另一部分情況下，向我們顯現(xiàn)為綠。人們無法事先說出將會看到什么顏色。
此外還有一個值得注意的現(xiàn)象：在某些特定的情況下，一個單獨(dú)的粒子可能同時出現(xiàn)在兩個地點(diǎn)。或者說，兩個分離的粒子實(shí)際上只是同一個粒子。物理學(xué)家甚至巧妙地制造出了一種“互逆孿生體”：粒子既分離又相互結(jié)合，一個總是另一個的對立面。
就彩色量子球而言，這意味著：兩個球在分開的同時，總是著上相反的顏色，這一個是綠的，另一個必然是紅的，反之亦然。但只要沒有人去觀察，兩個球就處于顏色糾纏的狀態(tài)中！只有當(dāng)物理學(xué)家去測定其中一個球的顏色時，才不得不做出選擇。而在同一時刻，另一個球也失去了其糾纏狀態(tài)，獲得了相反的顏色──即使它們之間已是光年的距離！這種“幽靈般的超距作用”促使愛因斯坦認(rèn)為量子力學(xué)是錯誤的。然而，在80年代初，法國的一個研究小組無可置疑地證實(shí)這一神秘關(guān)聯(lián)，從那時起，“糾纏的”粒子幾乎成為物理學(xué)的共有財富。
安東?蔡林格教授（右）和他的同事：在因斯布魯克大學(xué)，他進(jìn)行的試驗(yàn)是把一個光子的信息從一處輸送到另一處。當(dāng)然，光子與人之間存在著巨大的差別！但如果能把人的信息編成數(shù)碼，他就可能作為”信息郵件”被“發(fā)射”到任何一個地點(diǎn)。
應(yīng)有如下狀態(tài)：位于中間的是一個晶體（黃色）．它產(chǎn)生出兩個相關(guān)聯(lián)的（永久結(jié)合）的光子。如果其中一個是紅的，另一個必然是綠的。通過測定一個粒子．另一個的狀態(tài)則被確定──即使相距遙遠(yuǎn)！對于量子物理學(xué)家來說，這種“幽靈般”的超距作用是一種難以解釋的現(xiàn)象。
對一個粒子的量子狀態(tài)的描述包含下述問題：觀察者不知道粒子是“紅”的還是“綠”的．而粒子也沒有決定。
正是這些糾纏的粒子成了因斯布魯克發(fā)射試驗(yàn)中的主角──在此亦可稱紀(jì)纏的光子。為制造光子，研究才把紫外線光子發(fā)射到一個鋇晶體上，從而得到了兩上分離的紅光子，兩個“互道孿生體”（專業(yè)術(shù)語是：“非對稱關(guān)聯(lián)粒子”）。如果其中一個發(fā)生水平偏振，那么，另一個必然發(fā)生垂直偏振，反之亦然。
1993年，IBM的物理學(xué)家查爾斯?貝尼特就已清楚地知道，如何用這些糾纏的“互逆孿生體”進(jìn)行發(fā)射試驗(yàn)。他的想法是：如果人們想發(fā)射一個原粒子，必須在兩個糾纏粒子中選用一個進(jìn)行試驗(yàn)。這樣，原粒子也就失去了它的特征，用來試驗(yàn)的粒子成了原粒子的“互逆孿生體”，而這個糾纏的伙伴則成為原粒子的復(fù)制品。由此，人們便發(fā)送出一個量子狀態(tài)，而不去測定它。
經(jīng)過多年的試驗(yàn)，因斯布魯克的研究者們將這一想法變成了現(xiàn)實(shí)，每小時成功地發(fā)射了100個粒子。在制造糾纏粒子的同時，他們還不得不去解決另一個難題：糾纏粒子中的一個如何成為原粒子的互逆的復(fù)制品？對此，研究者并未簡單地去測定原粒子的特征，因?yàn)槿魏螠y定都不可避免地要破壞原粒子的特征。
但他們也正是從這一困境中找到了一條出路：原粒子和試驗(yàn)粒子進(jìn)人一個儀器中，這個儀器可以簡單地確定，兩個粒子是否以非對稱的方式關(guān)聯(lián)著，他們是否是“互逆孿生體”。這種“互逆孿生體”的發(fā)生幾率為1／4，而它是否發(fā)生，不受研究者的任何影響。研究者只是從測量儀中知道，兩個粒子處在怎樣的關(guān)系之中；對相關(guān)粒子的各自特征下任何結(jié)論都是不可能的。
從總體上看，以下情況發(fā)生了：在某一確定狀態(tài)下，原粒子從左面進(jìn)入試驗(yàn)裝置中，從而失去其原始狀態(tài)。同時，另一個粒子在右邊幾米遠(yuǎn)處突然出現(xiàn)，并在原粒子原有的同一狀態(tài)下離開儀器：原粒子向右面被發(fā)射出去幾米遠(yuǎn)。在這里，被輸送的不是物質(zhì)，而是關(guān)于量子狀態(tài)的信息。貝尼特解釋說：“這是一種全新的信息傳輸方式�！�
此外，原粒子在這一過程中失去的原初特征，是不可能事后加以確定的。量子力學(xué)的法則嚴(yán)格禁止制造一個粒子的精確復(fù)制品，否則研究者就會在這一復(fù)制品上測定這一特征，在另一復(fù)制品上測定另一特征，從而違反了海森伯的測不準(zhǔn)關(guān)系。
在因斯布魯克的研究中，具有原粒子特征的那一粒子曾是另一個光子。但在物理學(xué)家看來，情況并不必然如此。法國一個研究小組已經(jīng)致力于把一個光子的量子特征發(fā)射到某一原子上。這樣，他們也許可以通過一個原子來研究稍縱即逝的光子的特征。
即使是蔡林格教授，在取得最初的成果后，也在繼續(xù)從事發(fā)射項(xiàng)目的研究。他想把發(fā)射的距離擴(kuò)大：他不僅試圖在試驗(yàn)室里，用一根玻璃纖維將粒子發(fā)射到幾百米以外，而且還試圖在維也納的屋頂上，讓一個粒子穿越夜空，射到幾公里遠(yuǎn)的地方。除此之外，研究者們也想在更大一些的對象上試驗(yàn)，例如原子。
對于新型的量子狀態(tài)傳輸裝置，物理學(xué)家希望在量子計算機(jī)上獲得重要的突破。這是一種未來的計算機(jī)，迄今為止，它不過是紙上談兵罷了，僅僅是存在于物理學(xué)家頭腦里的設(shè)想。這種量子計算機(jī)不是用單一的數(shù)字，而是用“量子位（Qllbit）”計算量子世界所獨(dú)有的那些奇異的糾纏狀態(tài)。
由于這一糾纏現(xiàn)象，在我們用一個量子位測定時，立刻就會消失掉，因此到目前為止，從一臺量子計算機(jī)向另一臺量子計算機(jī)傳送數(shù)據(jù)，似乎是不可能的。但現(xiàn)在卻呈現(xiàn)出了這樣一種可能性：不是傳送數(shù)據(jù)，而是將數(shù)據(jù)發(fā)射過去。借助于糾纏粒子，量子狀態(tài)可順利地從一臺計算機(jī)到達(dá)另一臺計算機(jī)。
倘若量子計算機(jī)的設(shè)想可以實(shí)現(xiàn)的話，它所顯示出來的功能將是以往無法想像的：例如可能出現(xiàn)運(yùn)算速度比現(xiàn)在快幾百萬倍的下棋計算機(jī)，人與之對奕毫無勝出的機(jī)會。即使秘密警察與巨大的量子計算機(jī)比較起來，也只能是自嘆弗如：因?yàn)樗稍趲追昼娭畠?nèi)破解最安全的密碼。但另一方面，即便一臺簡單的量子計算機(jī)也能防止竊聽，保證絕對安全的聯(lián)系。理論物理學(xué)家們甚至預(yù)言，量子計算機(jī)能夠計算任何一道物理學(xué)的難題。
還是回到“發(fā)射”的話題上來吧：如果要采用在光子上成功使用的方法來發(fā)射人的話，我們始終都面臨著巨大的問題。蔡林格教授承認(rèn)：“如何將這一方法運(yùn)用于人，即使在理論上也并不清楚�！钡辽儆幸稽c(diǎn)是明確的：如果要發(fā)射一個人，就必須一下子把他發(fā)射出去，而不是一個原子接一個原子地發(fā)射。畢竟人體原子的量子狀態(tài)是緊密交織在一起的，不可能將個別原子從其中分離出來。
省錢的發(fā)射：《星球旅行》的創(chuàng)作者吉納?羅登貝瑞為節(jié)省資金．想出一種‘發(fā)射’的方法使昂貴的登陸成為多余。
穿梭傳輸：探險隊的施�？讼壬腿缁鶢柨岁犻L（上圖）頻繁使用一種物質(zhì)傳送器（遠(yuǎn)程運(yùn)輸機(jī)）。“海森伯補(bǔ)償器”（左圖）可防止故障。
現(xiàn)實(shí)并非電影：在電影中．探險隊不存在任何發(fā)射問題。在現(xiàn)實(shí)中則是一個難題：根據(jù)海森伯的測不準(zhǔn)原理．一個粒子的特征不可能精確地確定。然而，這卻是發(fā)射結(jié)構(gòu)復(fù)雜的人體的前提。
而且在這個過程中，所轉(zhuǎn)移的也僅僅是一種量子狀態(tài)，并非原物質(zhì)。任何一個想發(fā)射自己的人，都必須首先考慮到，在目的地已經(jīng)有了一個物質(zhì)復(fù)制品，然后原量子狀態(tài)才能發(fā)射到這一復(fù)制品上。如何制作一個人的物質(zhì)復(fù)本，在今天還是一個無法解決的問題。在此，我們又遇到了另一個問題：描述人體中的原子，需要巨大的信息量。也許，未來量子計算機(jī)可以通過其難以想像的功能幫助我們找到解決的辦法。
此外尚不清楚的是，何種糾纏粒子能夠同時發(fā)送人身上大約1031字節(jié)的量子狀態(tài)信息。唯一可確定的是：即使極小的外在影響也足以摧毀粒子的糾纏，其后果是不可預(yù)見的。蔡林格研究小組的同事哈拉爾特?瓦因福爾特坦言：“反正我不會把自己裝進(jìn)我們的儀器�！�
而且還有一個懸而未決的問題，即物質(zhì)復(fù)制品與原物究竟怎樣區(qū)分開來？我那個原子連原子的精確復(fù)制品是本來的那個我嗎？他有同樣的記憶同樣的性格嗎？如果我們只是在我們的量子狀態(tài)中互相區(qū)別，那么，是什么把他與我區(qū)別開來的呢？
記憶的奧秘（研究者始終未能確定記憶在大腦中的區(qū)域）能被置人量子狀態(tài)中嗎？而靈魂又會如何呢？它存在于量于狀態(tài)中嗎？一旦我的量子狀態(tài)被發(fā)射出去，它能獲得我的靈魂嗎？我原來的身體會出現(xiàn)什么情況，它在物質(zhì)上完好無損嗎？它獲得一個新的靈魂了嗎？所有這些問題在今天都是無法回答的。只有一點(diǎn)確定無疑：如果發(fā)射是以這樣的方式運(yùn)轉(zhuǎn)，那么，在另一端，我原來的身體仍然保留在一個不可想像的狀態(tài)中。蔡林格解釋說：這是“所有由同一物質(zhì)組成的人的糾纏”。這個糾纏的身體與我本人具有怎樣的一種關(guān)系，尚不十分清楚，而且糾纏狀態(tài)所持續(xù)的時間也極為短暫。一旦有人對它進(jìn)行測定（哪怕只是打量一下），糾纏狀態(tài)就會崩潰，保留下來的是一個完全普通的、單一的狀態(tài)。究竟是何種狀態(tài)呢？它與原狀態(tài)如何區(qū)別？
另一個困難在于，在對量子力學(xué)的理解上，甚至連物理學(xué)家們也不是一致的。涉及到計算，一般不存在任何的分歧。如果是關(guān)乎意義，爭論便發(fā)生了：神秘的糾纏狀態(tài)會出現(xiàn)怎樣的情況？一旦人們進(jìn)行測定，它真的會選擇一種單一的狀態(tài)嗎？或者，在每一次測定時，世界都劃分為兩個平行的宇宙，以至于從這一宇宙產(chǎn)生這一結(jié)果，從另一宇宙產(chǎn)生另一結(jié)果嗎？或者，只有當(dāng)一個具有意識的生物去關(guān)注糾纏狀態(tài)時，糾纏狀態(tài)才變成一種單一的狀態(tài)？如果這最后一個解釋合乎實(shí)際，那么，發(fā)射人自然是不可能的，因?yàn)槿说囊庾R很快就會摧毀假定的發(fā)射裝置。
在蔡林格教授看來，“發(fā)射”問題深刻地表明：“我們并沒有認(rèn)清我們在宇宙中的地位。我們扮演的是一個比經(jīng)典物理學(xué)所理解的還更要積極主動的角色。”
在我們真正能夠發(fā)射人之前，我們還必須回答一些最深奧的宇宙問題。倘若吉納?羅登貝瑞意識這一點(diǎn)，也許他會更喜歡讓他那些星球大戰(zhàn)的戰(zhàn)士們以完全傳統(tǒng)的方式登陸！
本文來自：逍遙右腦記憶 http://www.yy-art.cn/gaozhong/1003114.html
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