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量子物理學研究的進展無疑為人類鋪就了一條讓幻想走向現(xiàn)實的道路。物理學家已成功地發(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?羅登貝瑞就因為手頭拮據(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?shù)耐緩剑�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的地點。他繪聲繪色地描述了全部過程，其中，提到一個必須調(diào)準的“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”人體的最初試驗畢竟已經(jīng)開始。

可是，對于我們這些還未實現(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，或進人太陽，或去休假，或去任何一個地方呢？事實上，許多人已在思考，可否以某種方式輕而易舉地完成地點變換。

其中一個人就是美國物理學家勞倫斯?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。克勞斯明確地指出，要把一個人運送出去，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，那么，就必須將它“唯物質(zhì)化”。經(jīng)這位物理學家計算，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)楣猓�并通過光速輸送到任何一個地點。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“海森伯補償器”。當問到這臺補償器是如何進行工作時，該影片的技術(shù)顧問邁克爾?奧庫達的回答便是：“好的，謝謝！”

科學家們當然不會如此簡單地解決問題。因斯布魯克大學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。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�部健康理智予以嘲弄的量子力學的法則，對此物理學大師尼爾斯?玻爾風趣地說：“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)生出一個獨一無二的現(xiàn)實：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，一個單獨的粒子可能同時出現(xiàn)在兩個地點。或者說，兩個分離的粒子實際上只是同一個粒子。物理學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！只有當物理學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”促使愛因斯坦認為量子力學是錯誤的。然而，在80年代初，法國的一個研究小組無可置疑地證實這一神秘關(guān)聯(lián)，從那時起，“糾纏的”粒子幾乎成為物理學的共有財富。

安東?蔡林格教授（右）和他的同事：在因斯布魯克大學，他進行的試驗是把一個光子的信息從一處輸送到另一處。當然，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。

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！對于量子物理學家來說，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)射試驗中的主角──在此亦可稱紀纏的光子。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”進行發(fā)射試驗。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行試驗。這樣，原粒子也就失去了它的特征，用來試驗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，因斯布魯克的研究者們將這一想法變成了現(xiàn)實，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制品？對此，研究者并未簡單地去測定原粒子的特征，因為任何測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：原粒子和試驗粒子進人一個儀器中，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，原粒子從左面進入試驗裝置中，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。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。量子力學的法則嚴格禁止制造一個粒子的精確復制品，否則研究者就會在這一復制品上測定這一特征，在另一復制品上測定另一特征，從而違反了海森伯的測不準關(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)射項目的研究。他想把發(fā)射的距離擴大：他不僅試圖在試驗室里，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，射到幾公里遠的地方。除此之外，研究者們也想在更大一些的對象上試驗，例如原子。

對于新型的量子狀態(tài)傳輸裝置，物理學家希望在量子計算機上獲得重要的突破。這是一種未來的計算機，迄今為止，它不過是紙上談兵罷了，僅僅是存在于物理學家頭腦里的設(shè)想。這種量子計算機不是用單一的數(shù)字，而是用“量子位（Qllbit）”計算量子世界所獨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，從一臺量子計算機向另一臺量子計算機傳送數(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到達另一臺計算機。

倘若量子計算機的設(shè)想可以實現(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)運算速度比現(xiàn)在快幾百萬倍的下棋計算機，人與之對奕毫無勝出的機會。即使秘密警察與巨大的量子計算機比較起來，也只能是自嘆弗如：因為它可在幾分鐘之內(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也能防止竊聽，保證絕對安全的聯(lián)系。理論物理學家們甚至預言，量子計算機能夠計算任何一道物理學的難題。

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：“如何將這一方法運用于人，即使在理論上也并不清楚。”但至少有一點是明確的：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：探險隊的施玻克先生和如基爾克隊長（上圖）頻繁使用一種物質(zhì)傳送器（遠程運輸機）。“海森伯補償器”（左圖）可防止故障。

現(xiàn)實并非電影：在電影中．探險隊不存在任何發(fā)射問題。在現(xiàn)實中則是一個難題：根據(jù)海森伯的測不準原理．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)復制品，然后原量子狀態(tài)才能發(fā)射到這一復制品上。如何制作一個人的物質(zhì)復本，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我們的儀器。”

而且還有一個懸而未決的問題，即物質(zhì)復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。只有一點確定無疑：如果發(fā)射是以這樣的方式運轉(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，在對量子力學的理解上，甚至連物理學家們也不是一致的。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際，那么，發(fā)射人自然是不可能的，因為人的意識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，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！