1707613640
1707613641
在讨论如何获取有关生命微观结构的完整信息之前，让我们先来估计一下这种信息的数量，以便大家有个概念。人体大约由一万亿亿亿（1028）个原子组成。假如对这一结构中每个原子的描述（包括它与周围原子的连接方式）平均需要100比特（byte）的信息，那么有关生命微观结构的完整信息大约有1021GB（一个GB约等于10亿比特）。1021GB的信息是个什么概念呢？打个比方吧，这样数量的信息，如果用容量为100GB的计算机硬盘来储存，大约需要1 000亿亿张硬盘。这些硬盘如果摆放起来的话，足以覆盖整个地球表面（不分陆地海洋）100遍！
1707613642
1707613643
传输和储存如此大量的数据本身无疑也是一个很大的挑战，但这种挑战相对于复制生命所面临的全部复杂性来说只不过是冰山之一角！
1707613644
1707613645
复制生命的真正复杂性来自这样一个事实：那就是获取一个体系微观上的完整信息在物理学上远不是一件轻而易举的事情，它和复制家具所涉及的获取体系的宏观信息有着本质的差别。这一差别来自于今年已逾百岁“高龄”的量子力学。一百多年前，自伽利略（Galileo Galilei）和牛顿（Isaac Newton）以来岿然屹立已达数百年之久的经典物理学大厦如同一串精巧的多米诺骨牌，被一朵“物理学晴朗天空中的小小乌云”——黑体辐射问题——撞了一下腰，竟尔轰然倒塌。所幸的是物理学本身就像浴火重生的火凤凰，从灰烬中脱胎出了一个崭新的领域，那便是量子力学。但是，对钟情于生命传输机的星际旅行家们来说，不幸的是：获取一个体系微观上的完整信息的美好愿望却被无情地压在了经典物理学的那片厚厚的废墟下面……
1707613646
1707613647
量子力学的出现导致了物理理论及其描述自然的总体方式的彻底变革。在量子力学中，对一个物理体系的描述由所谓的“波函数”（wave function）来表示[3]。许多传统的经典物理学概念——比如粒子所在的位置、粒子的运动速度，等等——失去了经典物理学赋予它们的实在性。量子力学诞生之后，尤其是著名的“不确定性原理”（uncertainty principle）提出前后，物理学家们对这一理论的内涵、它的自洽性和完备性等问题进行了长时间激烈的争论。那些争论大大澄清和加深了人们对许多量子力学基本概念的理解。从那些让物理学获益良多的争论中衍生出了许多全新的分支领域，其中的一个叫做量子力学测量理论，它是我们讨论获取一个体系微观上的完整信息的理论依据。
1707613648
1707613649
自测不准原理提出以来，物理学家们对量子力学测量理论的研究已经进行了整整四分之三个世纪。如果注意到这种研究是在量子力学的基本数学框架未出现重大变动的情况下进行的，并且有20世纪几乎所有最伟大的物理学家——比如爱因斯坦（Albert Einstein）、玻尔（Niels Bohr）、海森伯（Werner Heisenberg）、玻恩（Max Born）、薛定谔（Erwin Schrödinger）等——的积极参与，却直到今天也没能形成一个被普遍认可的理论，这在科学史上是颇为罕见的。量子力学在概念层次上的微妙性由此可见。量子力学的初学者们常常被告诫：“如果初学量子力学就觉得明白了，那你一定是没有理解它。”在量子力学炽热发展的时期，新的理论模型层出不穷。据说当时评判一个新理论是否正确的“标准”之一就是看这个理论是否足够“疯狂”，如果不是，那它一定是错的！全面地讨论量子力学测量理论远远超出了本文的范围。不过，值得庆幸的是虽然并不存在一个被普遍认可的测量理论，但分歧主要是集中在对理论的诠释上，物理学家们对测量理论的一些主要结论还是相当程度的共识的。简单地说，量子力学测量理论有别于经典测量理论的一个最基本的特点就是：观测过程本身对被观测体系造成的干扰是不可忽略的。用一句许多量子物理学家喜爱的俗语来表述就是：在量子力学这部大戏中，观测者既是观众也是演员。
1707613650
1707613651
量子测量理论的这一特点对获取有关生命微观结构的完整信息会造成一个很棘手的问题，那就是体系的微观状态经过一次测量就会发生变化。而状态一变，此后的测量所获得的就不再是关于体系原先微观状态的信息了。这就是说对一个体系的微观状态只能进行一次有效的测量。当然，“一次测量”在逻辑上并不意味着就只能得到“一点点”信息，我们也许可以期盼某种非常“聪明”的测量方法，一次就可以得到一个量子体系的全部信息。不幸的是，量子力学测量理论的另一个著名的结论就是：有一些可观测量是相互排斥，从而不可能在一次测量中同时获得精确结果的。换句话说，对一个量子体系的单次测量所能得到的信息往往注定只能是不完整的！
1707613652
1707613653
在研究普通的量子体系——比如氢原子——时这一点并不造成实质的困难，因为自然界中所有的氢原子都是一样的。我们可以对许多氢原子进行独立的测量，然后对结果进行综合分析。这正是对一个量子体系进行测量的标准方法。事实上在考虑量子力学测量问题时人们通常引进所谓的“系综”（ensemble）——即大量全同体系的集合——的概念，对一个量子力学体系的测量事实上是针对系综中各个全同体系进行大量的独立测量。这些独立测量的结果的统计分布由体系的波函数所描述[4]。反过来，通过选择适当的待测物理量或物理量的组合，对一个系综中各个全同体系进行充分多的独立测量，从测量结果中原则上也可以反推出体系的波函数来。而波函数一旦确定，在量子力学意义上也就获得了有关体系微观结构的完整信息。
1707613654
1707613655
很明显，把这套理论用到我们所讨论的获得有关生命微观结构的完整信息的问题上来就会陷入一种“先有鸡还是先有蛋”的循环之中。因为按照上述理论，为了获取关于某个生命体微观结构的完整信息，必须先制备一个关于这一生命体的系综。但是生命体不像氢原子那样具有微观全同性，自然界中根本就不存在关于生命体的系综。这就意味着要想制备一个关于生命体的系综，我们必须自行复制生命体。而为了能够复制一个生命体，我们就需要先知道关于该生命体微观结构的完整信息。
1707613656
1707613657
绕了一圈我们依然两手空空。
1707613658
1707613659
因此，获得有关生命微观结构的完整信息按照我们今天对量子力学规律的理解是不可能的。如果复制生命——从而制造生命传输机——果真严格依赖于有关生命微观结构的完整信息，那它就同样是不可能的。不过“幸运”的是，虽然我们并不清楚生命——包括记忆、意识、情感、智慧等全部内涵——对微观结构的确切依赖程度，但这种依赖必定带有某些程度的模糊性。也就是说微观状态的某些程度的改变不会影响生命的任何本质特征。比方说头上缺几根头发，皮肤上多一两点色斑，身上少几个细胞等所对应的微观状态的差异显然都不会妨碍所复制生命的有效性。因此我们所需回答的问题可以弱化为：考虑到所有可被允许的模糊性，是否有可能获得复制生命所必须的微观信息？遗憾的是，对这一问题我们目前只能用一个双重的“无可奉告”来回答。因为我们既不清楚“可被允许的模糊性”的确切含义，也没有对量子力学测量理论研究到足以回答这类问题的透彻程度。我们比较有把握的结论是：在简单意义上精确复制生命——即复制生命的全部微观结构——的生命传输机是不可能制造的。
1707613660
1707613661
最后我们再讨论一下如果生命传输机存在，它的工作情形是否会像图14所示的那样干净利落，在几秒钟之内点尘不惊地完成复制过程。当然，我们不可能讨论生命传输机的具体工作方式，我们只想来计算一下把一个人分解为基本粒子或由基本粒子复合成一个人所需吸收或释放的能量。假如生命传输机对人体的分解和复合是在亚原子——即质子、中子、电子等——的层次上进行的，那么人体将会被分解为大约10万亿亿亿（1029）个亚原子粒子（比上文提到的原子数目多一个数量级左右）。由于平均每个亚原子粒子的结合能约为1兆电子伏特（1Mev），因此分解（复合）过程所需吸收（释放）的能量大约为1亿亿焦耳（1016J），这相当于100万吨TNT炸药爆炸时释放的总能量！因此生命传输机操作人员的那句冷静而平淡的“Energize”背后所蕴含的能量其实是与核爆炸中令天地为之变色的蘑菇云所象征的能量不相上下。这种类型的生命传输机的作用过程——尤其是复合过程——是很难如电视上那样点尘不惊的。当然，如果生命传输机只是在原子或分子层次上对人体进行分解和复合，所涉及的能量就会小得多，大约相当于几十到几百公斤TNT炸药爆炸时释放的能量[5]。一般来说，生命传输机对生命体的分解与复合所涉及的物质层次越低，在分解与复合过程中吸收与释放的能量就越多。
1707613662
1707613663
我们关于生命传输机的讨论到这里就结束了，与星际旅行中的另一个流行的方案——虫洞——相比，生命传输机在理论可行性方面似乎略显乐观。但我们必须看到，这种乐观性在很大程度上是建立在对生命本质的无知之上的，就像在相对论之前人们可以乐观地认为运动速度在原则上是不受限制的。科学是美丽的，它受益于我们的想象力，又转而为想象力插上新的翅膀。但科学同时也是严谨的，它并不是漫无边际的想象。对生命本质的无知绝不是我们乐观的理由。如果我们真的想要寻求一点乐观的话，也许时间是最好的乐观理由，因为《星际迷航》的故事——确切地说是我所看过的那部分故事——发生在24世纪，我们还有300年的时间来更好地理解生命，理解物理学。也许到那时我们会更好地理解生命传输机——无论它是可行的还是不可行的。
1707613664
1707613665
2003年1月2日写于纽约
1707613666
1707613667
2014年12月1日最新修订
1707613668
1707613669
[1]本文曾发表于《科学画报》2003年第10期（上海科学技术出版社出版）。
1707613670
1707613671
[2]在后文中将会提到，对这里所说的“完整”两字不宜理解得过于绝对。
1707613672
1707613673
[3]确切地说，在量子力学中，对一个物理体系的描述体现在所谓的“状态”（state）上，“波函数”是状态在具体表象——比如坐标表象——下的函数表示。
1707613674
1707613675
[4]这里所说的系综理论只是量子力学测量理论所涉及的若干种诠释中的一种，但可以算是最直接对应于量子力学数学体系的诠释。
1707613676
1707613677
[5]对于爱思考的朋友来说，这一数值是不需要计算就可以得出的。因为普通TNT炸药利用的不是别的，正是爆炸物在原子和分子层次上的结合能（叫做化学能）。因此把人体在这一尺度上分解或复合所涉及的能量大致就等于与人体质量相当的TNT炸药所能释放的能量。
1707613678
1707613679
1707613680
1707613681
1707613683
因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 虫洞：遥远的天梯
1707613684
1707613686
一、引言
1707613687
1707613688
1985年的一个学期末，加州理工大学（California Institute of Technology）的理论物理学教授索恩（Kip S. Thorne）刚刚上完一学年的课，正慵懒地靠在办公室的椅子上休息，电话铃声忽然响了起来。打来电话的是他的老朋友，著名行星天文学家萨根（Carl Sagan）。萨根当时正在撰写一部描写人类与外星生命首次接触的科幻小说。写作已近尾声，但身为科学家的萨根希望自己的作品——虽然只是一部科幻小说——尽可能地不与已知的物理学理论相矛盾。在这部小说中，萨根安排女主人公通过黑洞（blackhole）穿越了26光年的距离，到达遥远的织女星（Vega）附近。这是整部小说中最具震撼力的情节，但从物理学的角度看，却也是最可疑的细节。于是萨根打电话给从事引力研究的索恩，为这一细节寻求技术咨询。在经过一番思考和粗略的计算后，索恩告诉萨根：黑洞是无法用做星际旅行的工具的。他建议萨根使用虫洞（wormhole）这一概念，这便有了随后出版，并被拍成电影的著名科幻小说《接触》（Contact）。
1707613689
[
上一页 ]
[ :1.70761364e+09 ]
[
下一页 ]