传送原子，还是比特

“雷吉，传送是最安全的旅行方式呀！”

——出自“恐惧境界”[1]，乔迪·拉弗吉对雷金纳德·巴克利所说

艺术源于生活，生活模仿艺术。最近，我常常听到一个同样的问题：“未来究竟会依赖哪一个——是原子，还是比特？” 30多年前，吉恩·罗登贝瑞在另一种使命的驱动下处理了同样的问题。他设计了一艘漂亮的星舰，不过还有一个小小的问题需要解决：就像在水中的企鹅一样，进取号可以在太空之中自如航行；但是也和企鹅登陆后一样，进取号着陆后连立足都成了问题。可能经费也是一个重要的方面，毕竟每周播出的电视节目预算有限，庞大的着陆场景实现起来也不太容易。

那怎样解决这个问题呢？很简单：保证星舰永不着陆。用其他方法让船员们从星舰上到达星球表面就好了。于是便出现了“传送我吧”这种话，传送器也就立刻应运而生。

除了曲速引擎，恐怕没有其他哪种技术能够让联邦的每一艘星舰，每一次任务都变得如此丰富多彩。甚至没有看过《星际迷航》的人都听过刚才那句风行一时的话。它已经渗透进流行文化当中了。我曾经听到过这样一件事，一个醉酒的年轻人，在十字路口闯红灯撞上了一辆正常行驶的巡逻车。当被问到有什么要交代的时候，他绝望地答道：“是的，先生。”随即站起来，掏出钱包，潇洒地翻开，对着它咕哝：“传送我吧，斯科提！”

这个故事的真实性可能有待商榷，但是它确实表明了这种假想的技术已经深深影响了我们的文化——在进取号上所有的科幻技术中，恐怕没有哪一个比传送更加难以置信，更加震撼人心了吧。要创造出这样一种装置，需要克服的理论和实际的困难比你想象的还要多。这些挑战囊括了物理和数学的范围，涉及信息论、量子力学、爱因斯坦的质能关系、基本粒子物理等。

传送物质VS传送信息

这就把我们带到了“传送原子，还是比特”的争论上来了。关于传送器必须要讨论的一个重要问题是：面对从星舰传送到星球表面这项任务，大约有10²⁸（1跟着28个0）个以复杂形式组成人体的原子参与了进来，怎样才能快速而高效地来完成传送呢？这个问题提得很及时，因为我们也正面临着相似的困境——怎样才能最好地传播一本平装书，即大约10²⁶个原子的一种复杂组合形式。在撰写本书第一版的时候，这个想法还很模糊，但是它现在已经很明晰了：这些原子其实都是间接的传递者而已。真正重要的，是它们蕴含的比特信息。

以图书馆里的一本书为例。一家图书馆买了一本书存放在图书馆里——或者对于某些幸运的作者来说，会有好几本——准备着下一次借给某个人使用。但是，在数字图书馆里，相同的信息是以比特的形式存储的。比特就是1或0，以8位一组的形式排列形成字节，用来代表字母和数字。这些信息存储在计算机的各个存储器里，比特就以磁化或者充电代表1，未磁化或者放电代表0。现在任意数量的使用者都可以同时访问计算机的同一个存储区域，因此在数字图书馆里，地球上所有购买者都能通过相同的来源读到一本书。很明显在这种情况下，实际占有组成图书的原子是没有多大意义的，而且相比于存储的比特来说也没有效率。（但是给作者的版税收入造成了极大的损失。）

那么，人又怎么办呢？如果打算传送人的话，是移动他们所有的原子，还是只有信息就够了？你开始可能认为移动信息要简单得多——至少信息能以光速传播。但是到了人身上，有两个刚才在书那里所没有的问题：首先，需要提取这些信息，这当然是不容易的；然后还要把它们重新组合成之前的物质。比较人跟书的不同，就是人需要实际的原子来构成。

《星际迷航》的编剧们似乎从来没有澄清过传送器是怎么工作的。传送器传送的是原子和比特，还是仅仅只有比特？你可能会奇怪我为什么要提出这一点，因为《星际迷航：下一代——技术手册》已经详细地描述过这个过程了：首先传送器锁定目标。然后扫描需要传送的图像，将目标“非物质化”，在“模式缓冲器”中存储一段时间，之后再通过“环形约束光束”传送“物质流”到达目的地。因此传送器显然是把物质和信息一起传送的。

这种图像唯一的问题就是，有时传送器的行为并不一致。至少有两次在众所周知的情景里，传送器将一个人传送出来了俩。在十分经典的“内部敌人”[2]一集里，传送器的故障使柯克分裂成了两个人，一个好的一个坏的。更加纠结而有趣的是，我们发现在《星际迷航：下一代》“第二次机会”[3]一集里，瑞克中尉早在内华拉IV星被传送到波特金号上时就分裂成了两个。一个安全地返回了波特金号；另一个则返回了星球，在那里独自生活了8年。

要是传送器同时携带物质流和信息的话，这种情况根本不可能发生。传送前后的原子总数应该是一样的。在这种情况下是没有办法复制出一个人来的。另一方面，要是只传送信息的话，在星舰上储备的原子进行重组后，想要制造多少个拷贝都可以。

当我们考虑物质流时还面临一个类似的问题：传送到空间中的是“纯能量”。例如在《星际迷航：下一代》“寂寞旅程”[4]一集里，皮卡德在一个地方选择以纯能量的方式传送，不受物质条件的约束。不过这次经历相当悲惨而危险，他历尽艰辛才得以在模式缓冲器里恢复了肉身。但如果物质流被送入太空中的话，最后就不会留下任何东西让你恢复了。

因此，虽然星际迷航手册里那样写了，我还是持有一种不置可否的观点。而且我还想要探索那些与这种可能性相关的各种问题与挑战：究竟是传送原子，还是比特（数据）？

传送系统

可能关于传送最吸引人的问题——也是人们日常都不会提到的一个问题——就是人类是由什么构成的？我们仅仅就是所有原子的加和吗？更准确地来说，如果能够重塑你身体里的所有原子，甚至与这一瞬间所有原子激发和化学状态都精确相同，那创造出来的这个人在机能上完全相同吗？和之前的你拥有相同的记忆、希望、梦想和精神吗？没有理由相信不是这样的，但是这在那些笃信“灵魂”使人独一无二的信徒看来毫无意义。毕竟，你死后会发生什么呢？信仰不是说“灵魂”在死后依然存在吗？那在传送过程中灵魂怎么办呢？这样的话，传送器就是检验灵性的最佳装置。要是一个人传送到进取号上以后，完好无缺并且没有什么明显变化的话，这就提供了人类就是身体各个部分单纯加和的重要证据，而这个证明将直接跟大部分人的信仰发生冲突。

由于种种原因，这个话题在《星际迷航》里被故意回避了。但是，除了非物质化和传送纯粹的物理特性以外，某种模糊的“生命力”还是超出了肉体的限制，成为《星际迷航》系列里长期的主题。《星际迷航》第二部和第三部电影，《星际迷航：可汗之怒》和《星际迷航：石破天惊》的全部前提都在于，斯波克有着“katra”——一种灵魂——可以在体外存在。一段时间之后，在《星际迷航：航海家号》的“全神贯注”[5]一集里，查克泰的“神经能量”——类似于生命力的一种东西——脱离了身体，在星舰上徘徊，从一个人转移到另一个人，试图回到原本的“家”里。

我不认为能够兼顾两个方面。不管是“灵魂”“katra”“生命力”，还是任何我们身体的一部分东西，实际上都是由物质组成的，或者就根本不是。为了不冒犯敏感的宗教信仰（甚至包括瓦肯人的信仰），我决定在这个问题上保持中立。尽管如此，在进入新的讨论之前，我还是要强调，不要对传送器的基本前提——原子和比特——掉以轻心。

我接下来要说的问题是可以避免的，只要放弃同时传送原子和信息这个念想就好了。每个上过网的人都知道，要传送数据是多么简单的一件事——比如汽车结构图之类的东西。但在现实里要转移一辆汽车还是很不容易的。尽管如此，在传送比特时还是有两个棘手的问题。第一个面临的窘境就是怎样处理我们的身体？要是仅仅传送信息，那么原来的那些原子就要“消除”掉，然后在接收的地方重组新的结构。这个问题相当严峻，如果要摧毁10²⁸个原子，操作上将面临很大的挑战。比如说，单纯地将这些材料转化为纯能量，那最后能得到多少能量呢？爱因斯坦的质能方程会告诉我们，E=mc²。如果突然将50千克的材料（一个较轻的成人）转化为能量，将会释放超过1千个1百万吨级的氢弹爆炸的能量。很难想象如何以一种环保的方式来处理这件事。

当然这个过程还有另一个问题。因为要是这种方式可能的话，复制人就会变得很常见了。确实这样来看，复制比起传送还要容易一些，因为这样就不用毁灭掉原来的本体了。在这种情况下，复制没有生命的物体是可以接受的，而且船员们确实认可了。但是复制活的人类还是会产生问题（就像瑞克在“第二次机会”里那样）。现今DNA重组都会引起大量的伦理问题，那要是完整的人类包括记忆和人格都能随意复制的话，就确实会引起内心的迟疑。那时候，人们就会像电脑程序或者存在硬盘里的手稿一样。要是其中有一个损坏了或者出现故障，你可以简单地调用一个备份来补救。

从之前的讨论可以看出，无论是在实践还是在伦理方面，像《星际迷航》那样，使用传送器把物质流和信息一同传送都是一个更好的选择。那问题就变成了：该怎样移动原子呢？这是动力学的问题，在某方面来说很微妙。

在传送器里“非物质化”需要什么呢？要回答这个问题，就必须更小心地回答一个更简单的问题：什么是物质？所有普通物质都是由原子组成的，而原子又是由致密的原子核和环绕的电子云构成的。你可能会回想起高中化学物理课本上的描述——原子大部分体积都是空的，外面电子所占据的区域大约是原子核占据区域的一万倍。

要是原子大部分都是空的的话，那为什么一种物质不会穿过另一种物质呢？这和使墙壁坚固不可穿透的道理一样，是粒子之间的电场而不是粒子本身阻挡了我们。我的手被桌子挡住了是因为手里的电子与桌子里的电子发生了排斥作用，而不是电子没有足够的空间运动。

电场不仅使物质有了实体（让一个物体无法穿过另一个），它还使物质结合在一起。要改变这种情况，就必须克服原子之间的电磁力。克服这些力需要做功消耗能量，这就是所有化学作用生效的方式。单独的原子和其他原子的结合方式取决于交换的能量。比如要是往硝酸铵和燃油里注入能量，两种材料的分子会重组，而且在这个过程中，把两种材料束缚在一起的“结合能”会释放出来。而且要是释放得很快的话，就会产生大爆炸。

粒子（质子与中子）间结合形成原子的结合能，要远远大于原子间的结合能。这种能量将原子核的密度保持在了一个难以置信的地步。使粒子组成原子核的力从能量上来看是原子结合能的数百万倍。因此，核反应会比化学反应释放多得多的能量，这也是核武器威力如此强大的原因。

最后，使基本粒子（夸克）结合在一起形成质子和中子的能量，又远大于原子核中质子与中子的结合能。事实上，目前基于夸克相互作用的理论计算，完全把组成质子和中子的夸克分开所需要的能量看作是无穷的。

在这个基础上，要让物质完全分成夸克——物质的基本组成部分——将是不可能的，至少在室温下是不可能的。但是同样的理论告诉我们，在质子与中子中的夸克将在原子核加热到一万亿摄氏度（大约要比太阳中心热上一百万倍）后，失去它们的结合能，而物质也会损失掉几乎所有的质量。物质将会变回辐射——或者用传送器的方式，物质将变得非物质化。

因此，克服物质间结合能（像《星际迷航：下一代——技术手册》中那样）的最基本的方式，就是把它加热到一万亿度。在能量上，这相当于要求将质子和中子10%的静质量转化为热能。也就是说要想把人加热到一万亿度的话，就需要湮灭等量物质后能量的10%——或者100颗百万吨级的氢弹爆炸的能量。

可能有人会说，刚才描述的场景有点过头了。可能根本就没必要把物质分解到夸克的级别。可能在质子和中子的级别上非物质化就够了，或者甚至在原子尺度上就能满足传送器的目的。当然这种情况下所需要的能量要少得多，不过仍旧难以实现。而且，这样做会顾此失彼，暴露出更严重的问题。一旦有了物质流，比如单独的质子、中子和电子，或者可能就是整个原子，你就必须传送它们——以远远小于光速的方式。

现在要让像质子和中子这样的粒子以接近光速的速度来移动的话，就必须给它们可以与静质量相提并论的能量。结果这比把质子加热并“融解”成夸克的能量还要大上10倍。不过，尽管把质子加速到光速消耗的平均能量要更多，这还是要比把能量限制在单个质子里，以使其加热分解为夸克要容易实现。这也就是为什么虽然耗资巨大，现在还是建造了很多大型粒子加速器的原因——像位于伊利诺斯州巴达维亚的费米实验室拥有的万亿电子伏特加速器——它们可以将单个质子加速到超过99.9%的光速；而我们现在还无法建造一个加速器，能用足够的能量来轰击质子，使它“融化”成为组成它的夸克。事实上，这也是物理学家们设计的下一代大型粒子加速器的目的——包括在长岛的布鲁克海文国家实验室正在建设的一个装置——实现物质的这种“融化”。

这里我再一次为《星际迷航》编剧们的在用词方面的才能所折服。质子融化成夸克的过程在物理上被称为相变。而且意想不到的是，如果仔细搜索《星际迷航：下一代——技术手册》中传送器进行非物质化的设备后，你就会发现，它的名字恰恰就是“相变线圈”。

因此未来传送器的设计师们就要做出选择了。要么就找到一种能量源，一下子产生地球一天消耗的一万倍的能量，以使原子变成“物质流”，连同信息一块以光速移动；要么降低10倍要求，把人加热到太阳中心温度的一百万倍就行了。

信息高速公路

当在家里的电脑上写下这些内容的时候，我想起20年前买的第一台苹果电脑，不由地感叹技术发展之迅速。我记得那台机器的内存是128KB，而我现在的电脑内存都已经达到512MB了，更不用说在凯斯西储物理学部办公室那台2048MB内存的工作电脑。也就是说，在20年间，我的计算机内存容量提升了近10000倍！与此同时，硬盘容量也在以类似的速率提升着。我第一台机器连硬盘都没有，只能用外置的软盘，容量只有区区400KB。现在我家里的电脑硬盘是500GB的——存储容量提升了一百万倍。此外，电脑系统的运行速度在20年间也得到了巨大提升。对于实际的数值计算，我估计现在的电脑要比最初那台麦金塔快上1000倍。而办公室的工作站还要快10倍，它每秒能够运行超过10亿条指令！

即使我身处科技最前沿的地方，看到这些进步依旧震撼人心。在过去十年间，最快的通用计算电脑的计算速度和内存容量提升了100倍。这还不包括那些专用的计算机：这些惊奇的人工制造物拥有超过每秒万亿次的有效运算速度。事实上，某些特殊用途的设备原则上可以使用有机原件，比如基于DNA的计算系统，这可以使运算速度提升好几个量级。而且人们现在还在研究一种量子计算机，之后我会介绍一下。它利用了量子力学神奇的性质，能够在同一时间进行大量的计算。目前这种设备连能否实现都还不太清楚，但要是可能的话，即使仅仅在理论上可行，也会使许多物理学家兴奋不已。

人们不禁好奇，这种情况能否持续？未来能否像过去推断的那样快速发展？另一个现实的问题是，人类真的需要以这样的步伐前进吗？毕竟决定信息高速公路前进步伐的是我们自己。我们只能消化一定量的信息，上几个小时的网就能切身体会到这一点了。我想知道为什么，即使用尽全力在网上浏览，自己能力进步的速度还是比不上计算机。而且，不用说进步了，这样做了之后，有时反而还会退步呀！答案显而易见。人类的发展并不是被计算机的能力限制了，而是被我们自己限制了。由于这种原因，有人说计算机就是人类进化的下一个阶段。这是很有道理的，戴达这种没有情感的机器人，在很多方面都比人类船员强。并且在“人的衡量”[6]一集里，明确提到戴达就是一种高级生命。

但是我对此持反对意见。过去十年计算机能力的提升，跟处理传送器中信息存储和提取的过程需要的运算能力相比，意义不大。当然，这件事还很遥远。

我们来估算一下将人体编码需要多少信息吧。从10²⁸个原子开始，每个原子都要记录它的位置，需要3个坐标（对应x、y、z三个坐标轴）。接下来要记录原子内部的状态，包括电子占据的能级、原子是否跟旁边的原子结合形成了分子、原子是否在振动或者旋转，诸如此类的信息。保守估计，这些相关的信息编码之后大约有1KB的数据量（这大约相当于双倍行距的打印页面所包含的数据量）。这就意味着需要将人体10²⁸KB的信息存储在模式缓冲器里。这可是1后面跟着28个0啊。

在本书第一版做出这个估计后，有许多读者寄信过来，提出优化的办法。例如，他们说每个人都有一颗心脏、两个肺等，所以就不必一一记录了；还有人说，每个人都是由DNA决定的，因此记录下DNA就足够了。当然每个提议或多或少都存在问题。比如说，人的实际情况当然不止由DNA单独决定，它还取决于锻炼的多少、饮食的状况、抽烟与否等条件。如果忽略这些问题的话，那么最重要的还是我们的大脑，因为它决定了人类本来的样子。因此，在分子层面上准确地还原大脑，将人们的记忆和人格可能存在的地方完整恢复，就可以比之前估计的存储量少好几个量级。

现在，跟从古至今书本里包含的全部信息比较一下。人类最大的图书馆约有数百万册书籍，那就大方一点估计有十亿本不同的书现存于世吧（大约地球上每5个人一本书）。每本书包含数千页打印纸的信息（放开了估计的话）——或者就算它1MB的量。那么迄今为止的全部书籍的信息总量就差不多是10¹²，即一万亿KB的数据量。这还比存储一个人所需要的数量级小16个次方（一万万亿倍）！当数值变得如此不切实际之后，根本就无法理解这样浩大的任务量。可能循序渐进的方式有助于理解这个问题。人体所需要的存储量跟所有书里的相比，是所有书跟这一页内容相比的大小，再乘上一万倍。

要存储这么多的信息，按照物理学家爱用的说法就是，“非平庸的”。目前最大的商用硬盘每块最多存储1000GB，或者1TB的信息。要是每块硬盘厚10厘米，那么存储一个人的信息量之后，堆叠起来能相当于从地球到银河系中心的300分之一的距离——大约100光年，或者就是进取号以曲速9航行一星期的距离！

而且，把这些信息在可操作的时间里提取出来也是一项挑战。目前最快的数据传输机制每秒能转移10GB的信息。在这种速率下，把整个人的信息录入存储器将耗费现在宇宙年龄（约100亿年）20倍的时间！想象一下这样一个紧张的场景：柯克船长和麦考伊正要逃离鲁拉·彭西星这个监狱。我们不可能花费宇宙年龄那么长的时间来传送他们，因为仅仅数秒内，狱卒就会瞄准他们然后开火。

我想结果已经很明显了。这项任务让正在进行的人类基因组计划相形见绌。人类基因组计划的任务是扫描并记录DNA中的人类遗传密码。这是一项耗资巨大的工程，而且全世界众多实验室投入了大量的人力物力花费了至少10年的时间才走到现在。所以毫无疑问在“传送器为什么不可能实现”的原因列表里，这一条是一定要加进去的。虽然对于目前来说这是一项挑战，但是在23世纪，还是有可能被克服的。这份乐观仅仅依赖于对计算机技术发展的美好预期。用之前存储能力发展速度的标准，每10年提升100倍，或者保守地把数字除以10——考虑现在离目标还差10¹⁹次方的大小——那么在190年以后，在23世纪迎来拂晓之际，我们的计算机技术才能达到传送器所要求的水平。

当然，我这样说其实是没有指导意义的。很明显，如果人体大小设备要存储超过10²⁵的信息，那几乎其中每一个原子都得发挥存储作用。生物计算机这个新兴概念看起来很有希望，它运用分子动力学来模拟数字逻辑过程，在微观样品上大约10²⁵个粒子同时进行作用，可能有望解决计算问题。

我还要强调一点，我不是计算机科学家。我的盲目乐观可能仅仅反映了自身的无知。但我还是从人脑的例子上得到了一些宽慰，因为它远远领先于任何现存的复杂性和综合性计算系统。即便是大自然，也花费了漫长的时间才发展出如此优秀的信息存储和提取的装置，我相信人类还有很长的路要走。

量子力学的加入

量子力学又给未来的希望泼了一盆冷水。传送器需要在微观尺度上扫描和重组物质，此时物理学被奇异的量子力学法则所支配，粒子在这种情况下表现得像波一样，而波又可以表现得像粒子一样。我并不打算在这里上一节量子力学的课程，但是基本的前提还是要了解：在微观尺度下，观测行为和被观测的对象是密不可分的。测量几乎百分之百会改变系统的性质。这种现象有许多种参数化的方法，最有名的就是海森堡不确定性原理。这个基本原理看起来违背了经典物理决定论的概念，但实际上在更本质的地方是与之相符的。它把物理世界分成了两类可观测的量，如同太极中阴和阳。这告诉我们无论将来发明了什么技术，都不可能将特定的观测量组合以任意高的精度测量出来。虽然在微观尺度上，我们可以将粒子位置的测量精度做到任意高。但是海森堡告诉我们，这时我们就无法准确地知道该粒子的速度了（因此也就无法精确地预测它下一刻的位置）。或者，我们可以无限准确地知道原子的能级大小，但这样就无法知道原子能处在这个状态多长时间。这种事情在微观世界不胜枚举。

这些关系就是量子力学的核心所在，并且将伴随着科学研究一直存在。只要在量子力学适用的微观领域——根据种种证据表明，该尺度至少大于量子引力发挥明显作用的尺度范围，约10^-33厘米——我们就无法摆脱这种法则。

有一种稍有瑕疵但令人满意的看法，对不确定原理做出了启发性的解释。量子力学赋予所有粒子以波的行为，而波有一个显著的特性：当遇到比它波长（连续的两个波峰间的距离）大的物体时，波才会受到影响。你只需要观察大海里的水波就能清楚地看到这个现象。水面上凸出的卵石丝毫没有影响拍打在岸上的波浪。但是海浪遇见巨大的礁石，就会撞击在礁石上，被打成碎片。

因此如果想要“照亮”一个原子——即将一束光打在上面好得知它的具体位置——就要选择足够小的波长，那样原子才能够影响这束光。但是量子力学原理告诉我们光波是以波包[7]形式传播的，或者说是以光量子——就是所谓的光子——的形式传播的。（至于星舰里的“光子鱼雷”，事实上它不是由光子制成的。）每种频率的光，其光子的能量是反比于波长的。想要达到更高的分辨率就需要更小的波长，而这就意味着需要更高的光子能量。如果为了观察原子而使用高能光子轰击的话，原子的位置在碰撞时能够十分精确地测得，但是观测过程本身——即用光子撞击原子时——将转移相当一部分的能量给原子，而改变原子的速度和运动方向。也就是说，通过实验确定出了原子的位置，但原子的速度又变化了。

因此通过精确分辨原子的位置和动量，以此为依据来重塑一个人是不可能的。某些观测上的不确定性是不可避免的。那么，这对于传送后复原的精确度究竟意味着什么呢？对于这个具体的生物学问题，我只能做出一些推测。

这个问题也没有被《星际迷航》的编剧们所忽视，他们注意到了量子力学对传送器不可避免的约束，于是他们引入了“海森堡补偿器”，以保证“量子分辨”。不过，当记者采访《星际迷航》技术顾问麦可·奥田，询问海森堡补偿器怎样工作时，他却避而不谈：“非常好，谢谢！”

海森堡补偿器在情节上还有另外的作用。因为有人跟我一样怀疑过，为什么不能用复制器作为生命体的传送器呢？毕竟一声令下，复制器就可以让一杯水或者一杯酒魔法般地出现在每个船员的船舱里。不过复制器看起来只能在“分子精度”而不是“量子精度”下进行操作。这应该就能解释生命体的复制为什么是不可能的了。进而就能解释为什么船员们常常抱怨复制的食物跟真的总有差别，以及为什么瑞克和其他人都喜爱用老式的方法制作煎蛋饼和其他美食。

量子隐形传态

在本书第一版发行后不久，我接到了从澳大利亚电台来的一通电话。那是早上5点，他们专门来询问我关于一个新现象——“量子隐形传态”[8]的看法。好像维也纳的一项新实验验证了IBM的科学家提出的现象。事实上，IBM在《滚石杂志》上投放了整页的广告，上面一个女人在给另一个打电话，说着：“食谱上的那道菜你不会做？没关系，我把匈牙利炖牛肉给你传送过去。”IBM在上面公布了他们正在研究的一项新技术，宣称将给通信业带来革命。

要不是因为《星际迷航》的传送器，这个新闻可能已经被淹没在其他新闻之中了。而现在，我则被各种采访要求给包围了。难道这样下去，我们很快就能够像《星际迷航》里一样进行传送了吗？

维也纳的实验在过去十年间进行了许多改良和扩展，包括把一处的单光子量子状态破坏，然后同时在很远的地方重建一个完全相同的状态。这不就是《星际迷航》里的传送器么！在这项实验之后，对单原子也进行了类似的实验，甚至试验了含有数个原子的分子。不仅如此，这个瞬间传送发生在相距数千米的两个地点之间！

这听起来简直就是神迹，但它确实就是那个我之前所说的量子力学，让那种传送器不可能实现的量子力学，也是让量子隐形传态成为现实的量子力学。它告诉我们，只要小心地配置初始设置，两个粒子可以“纠缠”到一起，形成单一的量子态。接下来，如果将它们分开很远的距离，只要在这个过程中不破坏纠缠，我们对其中一个粒子进行实验，例如进行一次观测，使之进入一个特定的状态，那么另一个粒子的状态同时也就被确定了。即使两个粒子相距一个光年的距离，这个现象依旧会发生！虽然这看起来违反了爱因斯坦关于信息传播无法超越光速的法则，但是事实上量子纠缠并没有瞬间传送信息，所以因果律还是被保留了下来。

无论如何，量子纠缠在量子隐形传态里扮演了关键的角色。首先将一个粒子与另一个纠缠起来，让第二个粒子与第三个粒子在远处发生相互作用，再对第一个粒子进行某种特定的测量（改变了它所处的状态）。我们可以调整第三个粒子的状态，在它与第二个粒子产生纠缠的情况下，就能瞬间转变成第一个粒子之前的状态。

要是听起来有点迷惑的话，不用担心。虽然这个现象很神奇，但它对传送人毫无帮助，即使是匈牙利炖牛肉也不行。量子隐形传态的操作对于初始状态的要求很高，系统需要与环境完全隔离开来。但是人体的环境并不能让我们做到这一点，我们并不是量子的物体。如果我们是身处量子环境中的话，量子力学的现象就不会看上去如此诡异了。像人类这样如此复杂的宏观物体，其中的粒子频繁地发生相互作用，使得每个粒子的环境都发生着变化，快速地破坏了所有的量子关联和纠缠。

尽管如此，虽然量子隐形传态可能无法作为传送人的方法，但它还是有用武之地的。这种方法可以用来进行安全通信，保证信息不被窃听和解码。它还可以用来制造量子计算机。在量子计算机进行并行计算（并行计算是量子计算机能够执行那些普通计算机需要比宇宙年龄还长的时间才能完成的计算的原因）时，信息在计算机中传递，而计算过程必须保证这些量子态的完整，在测量过程中也不例外。要是这些量子态都是通过“传送”来实现的话，那么在计算中就能很好地保持它们原本的状态了。

传回飞船前的远程探测

关于传送还有最后一项挑战——也不一定，也许未来还会有更多挑战。传送出去就已经很难了，传送回来就难上加难。要把船员传回星舰上，进取号的传感器就需要先找到星球表面的船员。而且，星舰还要扫描人体来进行非物质化以及物质流的传送。所以进取号需要配备超高分辨率的望远镜，在星球表面上达到原子级别的分辨率。事实上，通常传送器的操作距离在4万千米左右，大约是地球直径的3倍。这个数字接下来还会用到。

相信每个人都曾经看到过世界上大型天文望远镜穹顶的照片，像是位于夏威夷的凯克望远镜或者位于加利福尼亚帕洛玛山的望远镜。你有没有感到好奇，为什么望远镜设计得越来越大了？（这当然不是仅仅源于对大尺寸的迷恋。）就像我们需要更大的加速器来探索物质更微小的结构一样，更大的望远镜就能用来分辨更加遥远、光芒更加微弱的天体。原因十分简单：根据光波动的性质，每当穿过一个狭缝、小孔或圆盘之类的障碍物时，它就会发生衍射，或者散开一点点。当来自远方的点光源进入望远镜的镜头时，画面就会拉伸变形，因此看见的就不是一个点，而是一个小小的模糊的圆盘。如果两个点光源靠得很近，比各自形成的圆盘的尺寸还要小的话，就没办法把它们区分开来，看起来两个圆盘就重叠在一起了。天文学家称这些圆盘为“视宁圆面”。使用越大的透镜，这些圆盘的尺寸就越小。因此，要分辨越来越小的物体，天文望远镜需要的透镜就会越来越大。

使用望远镜来分辨小物体还有另外一个准则。光或者你用来探测的任何一种辐射的波长，必须小于被观测物体的尺寸。原因就像我之前说的一样，波只有遇到比波长大的物体时，才会受到影响。因此，如果要分辨原子尺度的物体，比如大约是一厘米的数十亿分之一，你就必须使用波长小于十亿分之一厘米的波。要是选择电磁波的话，这就要求用到X射线或者伽马射线。问题就来了，因为这种辐射对生命有害，因此任何类地行星的大气层都会将其过滤掉，就像地球那样。传送器就不得不使用非电磁的探测手段，像中微子或者引力子那种。这些手段又有它们各自的问题，这里就不赘述了。

不管怎样，计算之后我们发现，进取号需要使用小于十亿分之一厘米的波长才能在四万千米之外以原子精度扫描物体。为了达成这个目的，星舰上的望远镜需要一个直径约五万千米的透镜！哪怕只小了一点，都无法扫描单个原子。我想虽然进取号-D已经够大了，但跟这相比就是小巫见大巫。

跟预期一样，传送器的话题囊括了量子力学、粒子物理、计算机科学、爱因斯坦的质能关系，甚至是人类灵魂的存在。因此我们也不用太过于灰心丧气，制造这种装置，并拥有如此复杂的功能，很明显是不可能的。或者不那么消极地说，建造传送器需要把物质加热到太阳中心温度的一百万倍，在其中聚集比人类目前消耗量更多的能量，建造比地球尺寸还大的望远镜，把现有的计算机提高十万亿亿倍性能，并且还要回避量子力学的法则。难怪巴克利中尉会对传送如此惊恐了！我想即使是吉恩·罗登贝瑞，面对这样的挑战时，可能也会考虑为星舰的登陆场景增加一些预算吧。

俯瞰位于伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室，它拥有世界上最高能量的加速器——万亿电子伏特加速器，以及世界上最大的反质子生产和贮存装置。周长达6千米的加速器圆环在图中清晰可见。地上的轮廓勾勒出加速器的形状，而主注入器就在这些构造的正下方。（来自费米实验室的照片）

图中是约翰·皮普尔斯，费米实验室主任，而他倚靠的则是自己设计的反质子源。反质子由质子和锂靶碰撞产生，通过磁体阵列贮存在环形束流里。图中的反质子源就是一个个巨大的磁体。（来自费米实验室的照片）

图中是6千多米加速器隧道的一部分。加速器位于地表以下6米，容纳了质子——反质子束流。而超导磁体阵列（更低一些的环）则用来控制并加速束流，使其能量达到1012电子伏。（来自费米实验室的照片）

图中是费米实验室建造的巨大的探测器。它是用来分析质子与反质子高能碰撞的两个探测器中的一个。5000吨的探测器通过滚筒在加速器上移进移出。（来自费米实验室的照片）

图中是位于马萨诸塞州哈佛大学的哈佛射电望远镜。它被用来收集百万频道外星人阵列计划（META）实验的数据。这项实验的目的是寻找银河系中地外生命的信号。

图中是META的超级计算机阵列。它们能够同时扫描数百万个频率通道来寻找银河系中其他智慧生命的信号。

十亿频道外星人阵列（BETA）的超级计算机将是下一代搜寻地外智慧生命计划的一部分。

图中是仙女座星系（M31）。这是距离我们最近的大型螺旋星系，位于两百万光年以外。（来自利克天文台的照片）

图中是银河系的照片。它是通过宇宙背景探测者（COBE）卫星上的射电和微波探测器拍摄的。这是第一张展现了银河的螺旋结构的真实照片，其观察的视角是在地球边缘。（来自NASA/COBE的照片）

图中是M87星系中心的高分辨率的照片。在那里被认为有超过20亿个太阳质量的黑洞存在。位于正中心的离子化气体圆盘垂直于从中心射出的强大能流。它们以每秒750千米的速度旋转着，是支持黑洞存在的强有力的证据。（来自霍兰德·福特和NASA的照片）