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瞬間移動可行?史蒂芬霍金科學傳播獎得主、知名物理學家表示有可能

2018/11/8  
  

文/《人類大未來》

瞬間傳送的基本概念是將物質由甲地直接傳送到乙地,無需穿過兩地之間的物質空間。這向來是科幻小說、電影和遊戲的常見主題,出現的年代比你以為得更久遠。最早描寫關於瞬間傳送的故事,或許是愛德華.佩吉.米契爾(Edward Page Mitchell)於一八七七年寫成的《沒有身體的男人》(The Man without a Body)。故事描述某科學家發明了一種機器,能將活人身體分解為原子,透過電線以電流的型態傳送給接收者,然後將原子再次組合成身體。這個構想很令人著迷,一部分是因為這個故事被創作出來時,人類尚未發現電子的存在,甚至連原子是什麼都還搞不清楚。

接著時間快轉半個世紀來到一九二九年,柯南.道爾(Arthur Conan Doyle)出版了一篇短篇小說,名為〈分解機器〉(The Disintegration Machine),描寫一種能夠打碎物質並將之重新組合的機器。故事中的一角如此提問:「你能否想像有某種程序,能讓『你』這個有機生命體以某種方式融入宇宙之中,然後透過微妙的情境方式重新組合起來?」兩年之後,專注於研究異常現象的美國作家查爾斯.佛特(Charles Fort)首先創造出「瞬間傳送」(teleportation)一詞,來解釋人與物神祕消失後又(據傳)出現在他處的神奇事件。佛特書中還有研究許多關於這類超越科學知識界限、無法被解釋的神祕現象與超自然異常事件,後來被人們統稱為「反常現象」(Fortean phenomena)。

現代大眾對於瞬間傳送的印象,多半是從一九五八年的美國科幻恐怖片《變蠅人》(The Fly)來的。電影中,一位科學家不小心與一隻蒼蠅一同進了瞬間傳送艙,導致自己的基因與蒼蠅的基因混合。不過對更多人來說,最著名、最歷久彌新的瞬間傳送畫面要屬「企業號」的傳送室,以及那句著名的台詞:「史考特,把我傳送上去。」《星艦迷航記》(Star Trek)的創造者金.羅登貝瑞(Gene Roddenberry)最早是在一九六○年代中期發展出這個概念,原本其實是為了節省特效費用,讓角色在星球表面淡出然後又出現,遠比讓他們從企業號搭乘接駁飛船降落更便宜也更單純。

這個概念當然非常有創意,不過嚴肅的科學對這個主題有什麼看法呢?將物質由一地瞬間傳送到另一地,無需穿越實際的物質空間,聽來或許荒謬,實際上卻相當正常—我的意思是,假如你能縮小到量子層次的話。一種稱為「量子穿隧效應」(quantum tunnelling)的程序允許次原子粒子,例如電子,能在兩個不同的地點之間跳躍,即使沒有足夠的能量也不成問題。這有點像對著磚牆丟一顆球,讓球消失,然後在牆的另一側重新出現,同時保持牆面完整。這真的不是科幻小說的情節。這麼說吧,太陽之所以能夠持續照耀地球上所有生命,正是因為氫原子能藉由量子穿隧效應穿過本應無法穿透的力場,然後融合在一起。

然而量子力學還有個更有趣而且更違背直覺的預測,同樣經過無數次實驗證實, 那就是量子糾纏(quantum entanglement)的概念。溫佛瑞.亨辛格在本書第十一章量子運算的章節已對此進行了討論。所以我們知道,在空間上分離的兩個以上的粒子之間有某種連結,對其一進行任何觀測或干涉都會立即影響它遠處的夥伴。這一點似乎違背了愛因斯坦的相對論,以及「光速無法超越」的論點。量子力學的解釋是,糾纏的粒子是某個單一系統的一部分,而非表現得像獨立的實體。

請思考以下比喻。找一雙手套,將左右兩隻分別放在獨立的盒子裡,接著將一個盒子送到遙遠的地方,另一個盒子放在身邊。如果你打開身邊的盒子,發現裡面放的是「左手」手套,那麼你立刻就會知道另一個盒子裝的是「右手」手套。當然,這一點都不神祕,因為改變的只是你的知識狀態— 另一個盒子裝的一直都是右手手套。在量子世界,手套代表彼此糾纏的粒子,它們均能同時以順時鐘或逆時鐘方向轉動。一旦你開啟手邊的盒子,你就是在進行所謂的量子測量(quantum measurement),強迫它「決定」自己該往什麼方向旋轉。畢竟,我們從未看到粒子同時朝著兩個方向旋轉— 那不是很荒謬嗎?量子力學告訴我們(實驗也證實了這一點),這種量子疊加是真實存在的。除此之外,當你開啟身邊的盒子觀察粒子,第二個盒子內的粒子也會立即由雙向旋轉的糾纏狀態「塌縮」(collapse)為朝單一方向旋轉1 ,而且和第一個盒子內的粒子方向相反。這就好像開啟盒子的這個動作立即向另一個粒子傳遞出一個量子訊號,告訴它該如何行動。

瞬間傳送的理論就是來自量子糾纏與量子疊加(quantum superposition)。不過這在實務上能否達成?大致上,量子瞬間傳送的概念是讓糾纏的粒子分處兩地,接著以某種方式掃描要傳送的物件,以便能透過糾纏的這對粒子將純粹的資訊傳輸到遙遠的地點。

但即使要瞬間傳送單一原子,都需要對它的量子狀態有徹底了解— 基本上我們需要知道關於它的一切。科學家本來認為這是不可能的,因為根據量子力學的「海森堡測不準原則」(Heisenberg Uncertainty Principle),我們永遠無法同時精準測量到一個粒子的位置和動量,也就表示我們無法得到它的完整資訊以便將它在他處重建。不過量子糾纏對此提供了某種解決方案,因為某些資訊可以在量子層次立即傳遞。透過測量粒子,接著將該粒子分別傳送,所得到的資訊可以補充前述的不足。利用整合的資訊(以量子力學方式傳輸糾纏的成對粒子所得資訊,加上透過掃描並以光速分別傳輸所得的資訊),科學家可以在另一處用相同原料來重建原初的物件。

一九九三年,由IBM 研究者查爾斯.班耐特(Charles Bennett)帶領六位科學家組成的國際團隊,初次揭露粒子的狀態確實能透過量子糾纏傳輸到遠處的地點,量子瞬移的現代概念就此誕生。從那時起,研究者就一直與數量越來越大的原子「糾纏」不休。當然,要讓幾個光子或原子(特殊類型的氣體降溫到絕對零度)瞬間移動是有可能做到,但問題是要運用量子糾纏來傳送巨量資訊、描述構成人類的數兆原子如何以特殊方式排列,要做到這點非常困難。

值得注意的是,瞬間移動不僅只是創造原來粒子的複製品,至少在量子層次上來看,傳送某個粒子所有的資訊內容就是傳送這個粒子本身— 我們無需在物質層次傳送原來的粒子。此外,傳送某個物件時,需要先在甲地摧毀這個物件,然後才能在乙地將它重建。話是這麼說,但最近一項關於量子隱形傳態(quantum teleportation)技術的初步研究暗示,要以量子傳送物件本身也不是不可能的事。

不過我必須提醒你,我們目前與《星艦迷航記》所想像的科技還有好幾世紀的距離。

◎作者簡介:吉姆.艾爾卡利里(Jim Al-Khalili

學者、作家及節目主持人,曾獲頒大英帝國官佐勳章(OBE)。他是頂尖的理論物理學家,在英國索立大學任教並進行量子力學的研究。他主持過多個電視與廣播節目,包括獲得英國影藝學院獎(BAFTA)提名的《化學:一段揮發性的歷史》(Chemistry: A Volatile History)以及《渾沌的祕密生活》(The Secret Life of Chaos)。目前主持BBC Radio 4 每週一次的科學節目《科學化的生活》(The Life Scientific)。他獲頒2007 年皇家學會的麥可法拉第(Michael Faraday)獎及2011 年英國物理學會的克耳文獎(Kelvin Medal and Prize),以表彰他在科學教育方面的貢獻。他更在2016 年成為史蒂芬霍金科學傳播獎(Stephen Hawking Medal for Science Communication)首屆得獎者,並於2018年入選英國皇家學會院士。著有多本科普書籍,被譯為二十種語言,包括《解開生命之謎》《悖論》等書。