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星球戰士從某一地點突然消失,瞬間出現在遙遠的另一點。這些只是科幻電影中才會出現的場景,在現實生活,能找到這樣的奇妙隧道,讓我們真正實現「瞬間轉移」(Instant transfer) 嗎? 想像一下,如果這樣的技術有一天能夠普及,那麼我們出門旅行再也不用費力的轉乘各種交通工具,而只要運用這種傳送工具,瞬間就能把我們「轉移」到任何我們想去的地方。

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人類一直夢想著能遠征深太空,但超長時間的旅程就成為一大障礙;不過「量子物理學」的發展,一步步為人類鋪就了一條從幻想走向現實的道路。或許有一天,人類就將帶著自己的喜悅、痛苦,甚至打著噴嚏就被瞬間傳輸到遙遠的外太空。

前年電影《Star Trek Into Darkness》 在英國的商場也以「瞬間轉移」為題做過宣傳,當然電影宣傳只是用掩眼法,那麼「瞬間轉移」現實能做到嗎?

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理論上這樣的場景是可以實現的,物理學上叫做「量子態隱形傳輸」(Quantum Teleportation)。從物理學角度,可以這樣來想像隱形傳物的過程:先提取原物的所有資訊,然後將這些資訊傳送到接收地點,接收者依據這些資訊,選取與構成原物完全相同的基本單元,製造出原物完美的複製品。 

「量子」(Quantum) 就是物質粒子的非連續運動。量子態是指「原子」(Atom)、「中子」(Neutron)、「質子」(Proton) 等粒子的狀態,它可表徵粒子的能量、旋轉、運動、磁場以及其他的物理特性。

Quantum Teleportation

1993年,美國物理學家 Benítez 等人提出了『量子態隱形傳輸』的方案:將原粒子物理特性的資訊發向遠處的另一個粒子,該粒子在接收到這些資訊後,會成為原粒子的複製品。而在此過程中,傳輸的是原粒子的「量子態」(Quantum state),而不是原粒子本身。傳輸結束後,原粒子已經不具備原來的「量子態」,而有了新的「量子態」。 

「量子信道」(Quantum channel) 在微觀世界普遍存在,『「量子信道」指的就是量子在裏面傳輸不受影響的通道。』「量子信道」在「量子物理學」(Quantum Physics) 中相當於光學裏「光纖」這樣的光學信道和通信中一般的電線。但電線是有形的,「量子信道」迄今為止卻從未被觀測到。

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由於「電子」(Electron) 帶「負電荷」(Negative charge),在帶「正電荷」(Positive charge) 的「原子核」(Atomic nucleus) 的吸引下「電子」被束縛在「原子」內部。如果電子沒有在一段時間內獲得足夠的能量,它就無法逃離「原子核」的束縛。但「量子力學」可以提供另一種方法,「電子」可以直接通過「量子信道」逃脫出來,這在物理學中叫「隧穿效應」(Tunneling Effect)。

打個比喻:這就像在大碗中放一個小石子,石子不會出來。除非石子的能量很大,大過碗壁的能量時,它就會從碗的上面跳出來。但是「量子物理學」上有一個非常奇怪的效應,當碗壁足夠矮,非常薄,即使碗壁的能量依然大於石子的能量,石子也會莫名其妙地跑出來,究竟它是怎麼出來的不知道,就像變魔術一樣。而這個跑出來的「石子」實際上是通過一個隧道跑出來的,這個通道就是「量子信道」。

「德國」(Deutschland) 科學家最新的實驗成果就是利用百億分之一秒的「阿秒鐳射脈衝」(Atto-second Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 攻擊「氖原子」(Neon) 從而觀察到了「隧穿效應」的全過程,而且證明了「量子信道」的存在。這就像我們看運動員跳高或者跳遠的時候,眼睛並不能看清楚他們的身體在騰空過程中的每個細小變化,但透過慢動作重播我們卻可以把每一瞬間都看清楚。 

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『隱形傳物』雖然理論上可行,但要真正實現人的隱形傳送,目前還有許多技術難題尚未解決。「人類瞬間轉移」仍面臨三大難題

難題一:

人的身體是由「物質」(Substance) 組成的,如果用光速把人的身體移動到另一個地點,那麼,就必須將它「唯物質化」。經物理學家計算,單單突破原子核內部的限定力,就必須把身體加熱到「1000000000000℃」———這比太陽內部的熱度還要高幾百倍。只有在這一溫度下,「物質」才能變為光,並通過光速輸送到任何一個地點。而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。

難題二:

發射儀器必須在目的地將人重新組合起來。為了知道如何組合,它就需要獲得人體所有原子結構的精確資訊。如果每一個原子約為 1000 字節,描述人體的所有原子總共需要 10 的 31 次方的字節,而目前世界上全部圖書所含有的資訊約為 10 的 15 次方字節,僅是完整描述一個人所需要的資訊的 1 億分之一。僅傳輸這些數據對於今天速度最快的電腦來說,也會花去比宇宙年齡還要長 2000 倍的時間。

難題三:

精確描述人的原子結構是最棘手的問題,從根本上來說是不可能的。因為根據《海森伯不確定性原理》(Heisenberg’s uncertainty principle),我們不可能獲得一個粒子的全部資訊。例如,如果我們想知道一個粒子的位置,那麼我們就會失去所有關於它的速度的資訊,反之亦然。

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早在 2004 年,「美國」和「奧地利」的物理學家就透過實驗成功實現了「隱形傳物」,論文發表在英國《自然》科學雜誌 (Nature) 上,引起國際學術界的極大興趣。 「美國國家標準與技術研究所」(National Institute of Standards and Technology, NIST) 的科學家通過「鐳射」(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation),將三個帶有「正電荷」的「鈹原子」(Beryllium) 的「量子態」複製到 8 微米外的另一個原子上。整個過程由電腦控制,僅耗時 4 毫秒,傳輸成功率達到 78%。

「奧地利因斯布魯克大學」(Leopold-Franzens-Universität Innsbruck) 的科學家領導的另一個研究小組則採用「鈣原子」,同樣實現了「量子態隱形傳輸」,成功率為 75%。基本原理也是利用第三個「原子」為輔助,用「鐳射」將一個「原子」的「量子態」傳遞給另一個「原子」。

雖然實驗仍是在起步階段,但科學從來都是把不可能變成可能,把幻想變成事實,也許真的有一天人們瞬間就能到達目的地,傳統交通工具也就成為歷史了!

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