走进瞬间移动背后的物理学

　　图片来源：阿尔托大学
　　瞬间移动已经在科幻小说中存在了100多年。而且，谁没幻想过闭上眼睛或是进入某个仪器，就能瞬间到达目的地呢？想想看你省了多少时间！上下班不需要再在地铁上挤上一小时，旅行时不用坐几小时的火车，甚至想要去往其他星球也能变得更加容易——不需要经过几十年的旅程，就能到达最近的宜居行星——距我们4光年远的比邻星b（Proxima Centauri b）。
　　但是，瞬间移动真的可行吗？如果可行，为什么到现在都没能实现瞬间移动呢？让我们走进瞬间移动背后的物理学。
　　几种瞬间移动的方式
　　如果你想象中的瞬间移动是此刻你在这里，下一瞬间你就到了另一个地方——那很遗憾，这是不可能的。
　　对于任何瞬时发生的事件，物理学上都有一些非常严苛的规则。试想一下：为了让两件事有因果联系，比如你在这里消失，并在其他地方出现，这两者之间必须有信息交流。然而纵观宇宙，任何事物，包括信息的传递，都有速度限制。世界上速度最快的是光，事实上，光速应该被称为＂信息传递速度＂或＂宇宙的速度极限＂。
　　因此，从这里消失并立刻在别处出现是几乎不可能的。好在，大多数人对＂瞬间移动＂的定义没那么死板。＂几乎瞬间＂、＂眨眼间＂或＂物理定律允许范围内的最快速度＂就能满足大多数人对瞬间移动的需求。如果是这样的话，有两种选项可以实现瞬间移动：以光速把你运输到目的地，或是缩短出发地和目的地之间的距离。
　　选项2类似于动画或电影中的＂任意门＂。在理论上，我们可以利用虫洞连接相距很远的两处地点。但遗憾的是，人类还没实际观测到虫洞，也不知道怎么打开虫洞或控制它通向的地方。并且，你也不能像微观粒子一样，进入额外维（extra dimension）。
　　当你成为信息
　　如果不能瞬间出现在别处，也不能缩短旅程距离，那我们能否至少以最快的速度——光速——到达那里？不幸的是，这个方法有个大问题：你太重了。首先，仅是将你体内的所有粒子加速到接近光速，就需要消耗大量的时间和能量。其次，因为任何有质量的物体都不能以光速移动，所以无论多么努力地节食或健身，你都无法达到光速。
　　但这就意味着瞬间移动不可能实现吗？不完全是！仍然有一种办法能让你实现瞬间移动，那就是把＂你＂的定义放宽。
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　　一种可行的办法是，扫描你，并将你以光子的形式传递出去。光子没有质量，因此能以光速移动，这种方法简单流程如下：
　　第1步：扫描身体，记录你身上所有分子和粒子的位置；
　　第2步：通过一束光子，将这些信息传输到目的地；
　　第3步：在目的地接收信息，并用新的粒子重塑你的身体。
　　这是有可能实现的。人类在扫描和3D打印技术领域已经取得了极大的进步。如今，用磁共振成像（MRI）扫描人体，分辨率可达0.1毫米，相当于一个脑细胞的尺寸。科学家利用3D打印能打印出越来越多的复杂类器官（organoids）。我们不难想象，有一天或许真的能够扫描并打印出整个人体。
　　然而，真正的制约不是来自技术方面，而是伦理方面。毕竟，如果有人重塑了一个你，那你还是原来的你吗？
　　要知道，构成你身体的粒子并无特殊之处。同一类型的粒子都是相同的。每个电子都是完全相同的，每个夸克也是。那么，重塑品有几分仍然是你？重塑品要达到什么精度才仍然是你？事实上，这是一个开放的问题，答案可能取决于你对自己的认知有多量子。
　　量子重塑的你
　　你体内的每个粒子都有一个量子态，量子态表示粒子可能在何处、可能在做什么，以及它和其他粒子的连接方式。由于只能知道每个粒子可能的状态，因此存在不确定性。
　　乍看之下，每个粒子的量子信息似乎不会影响你究竟是谁。例如，你的记忆和反射储存在神经元和它们的连接中，它们比粒子大得多。在这个尺度上，量子涨落和不确定性趋于平均。如果巧妙地变换你体内一些粒子的量子值，你会感受到变化吗？
　　如果你体内粒子的量子态对构成你的影响不大，仅仅重建你的细胞或分子排列就足以让重建品能像你一样思考和行动，那么瞬间移动就容易多了。只需记录下你细胞或分子的位置，并在另一个地方以完全相同的方式组装它们就可以了。
　　当然，重建品并不会和你一模一样。像是以jpeg格式而不是原图格式传输图片一样，当你在另一个地方被重塑后，或许会觉得自己的边缘有点模糊，或是有点失真。而想更快地到达目的地，就要接受更高的失真度。
　　完全量子化
　　但如果，决定＂你是你＂必须依赖于量子信息呢？如果你的不可替代性，就来源于你体内每个粒子的量子不确定性呢？如果你真的希望瞬间移动后的你还是完完全全的你，整个过程都需要量子化。然而这会让瞬间转移变得更加困难。事实上，任何量子化的东西都很麻烦，复制量子信息更是难上加难。
　　因为从物理角度来说，没有技术能同时确定单个粒子的所有信息，唯一能确定的是量子在某处出现的概率。如果坚持要光速瞬间移动仪器制作的重塑品和现在的你一模一样，唯一的选择是制作量子重塑品。
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　　先来思考制作单个粒子的量子复制品问题。在量子层面记录一个粒子的信息，意味着需要知道它的量子态。量子态其实不是一个数字，而是一组可能性。问题是，要获得单个粒子的量子信息，就得以某种方式观测它，也就会对它产生干扰。并不是因为我们不够聪明，也不是因为还没有开发出足够好的探测器。量子＂不可克隆＂原理表明，在不破坏原始数据的情况下读取量子信息是不可能的。
　　有一种办法是利用＂量子纠缠＂。量子纠缠是一种特殊的量子效应，能让两个粒子的概率互相联系。例如，如果两个粒子互相作用，没法知道它们的自旋状态，但是能知道它们自旋方向相反，那么如果其中一个粒子自旋向上，那另一个必然自旋向下。
　　让两个粒子互相纠缠，并像使用电话传真线一样，分别在起点和终点使用它们，就可以实现量子瞬间转移。比如你可以让两个电子互相纠缠，并将其中一个电子放在比邻星。这两个电子会在两地继续纠缠，直到你准备好开始在比邻星重塑你自己。
　　事实上，我们已经能完成单个粒子，或是一小堆粒子的＂瞬间移动＂。目前，在两地间进行量子复制的距离记录，是1400千米。虽然这没法让你瞬间移动到比邻星，但至少是个开始。
　　总的来说，在眨眼间将自己瞬间移动到别处是切实可行的。只要你能忍受光速传输的延迟，并且认为经过扫描和重建后的＂你＂还是你，那么或许你能在未来体验瞬间移动。
　　不过一切的前提条件是：为了如上述般瞬间移动到别处，目的地必须有一台能接受信号并重建你的仪器。这意味着，如果有一天你想瞬间移动到其他行星，得先有人通过传统的移动方法将仪器带过去。
　　有人想做这个先行者吗？
　　撰文：豪尔赫·卡姆（Jorge Cham）、丹尼尔·惠特森（Daniel Whiteson）
　　翻译：谢汝雨
　　审校：张琪
　　引进来源：Wired
　　本文来自：中国数字科技馆