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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)。

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Transporter: 生命传输机

- 星际旅行漫谈 • 生命传输机 -

- 卢昌海 -

Space, the final frontier!

- Star Trek: The Next Generation

[图一]生命传输机图示
[图一]生命传输机图示

看过科幻电视连续剧《星际迷航》(Star Trek) 的人可能对剧中的生命传输机 (Transporter) 留有深刻的印象。 需要进入别的飞船或在星球上着陆的飞船乘员站在生命传输机的控制室中, 随着操作人员的一句 “Energize” 的口令, 乘员的身体渐渐分解成了一片闪烁的粒子, 从控制室中悄然消失; 几乎与此同时, 在传输目的地, 一个粒子团魔术般地出现, 并渐渐变得明亮起来, 最终完整地复现出了飞船乘员 (如 [图一] 所示)。 整个分解和复合的过程只需几秒钟。 据说《星际迷航》的编导们最初设计这么一个生命传输机是为了省钱, 因为当时摄制组的经费负担不起拍摄星际飞船在星球表面着陆所需的特技过程。

像生命传输机那样的概念使许多人都感到了兴趣。 念中学时我曾翻过一本由美国学者霍夫施塔特 (Douglas R. Hofstadter) 和丹尼特 (Daniel C. Dennett) 撰写的名为《心我论》(The Mind's I) 的书, 一开头就提到了类似于生命传输机的装置, 由此展开了许多生命哲学方面的讨论。 对研究星际旅行的人来说, 像生命传输机那样的装置是让脆弱而短暂的生命以基本粒子的形式跨越星际间严酷的环境和近乎无限的时空尺度的理想手段。

《星际迷航》播映之后还出版了一本 “技术手册” (Technical Manual), 替剧中用到的许多新技术和新概念作了书面描述。 从技术手册上看,《星际迷航》中的生命传输机是直接将组成原生命体的基本粒子传输到目的地进行复现的。 按照我们对微观世界的了解, 这是不必要的。 因为依据量子力学的基本原理, 同一类型的基本粒子彼此间是完全相同的。 因此在使用生命传输机的过程中, 组成生命体的那些基本粒子本身是否直接被传输到目的地其实并不重要, 因为那些基本粒子本身并没有任何特殊性。 真正需要传输的只是有关生命微观组成的完整信息[注一]。 只要有了这些信息, 通过什么途径, 从什么地方获取复现生命体所需的基本粒子是无关紧要的。 事实上, 生命虽然奥妙, 但组成生命体的那些基本粒子——注意不是分子, 而是基本粒子——本身据我们所知在宇宙间是普遍存在的。 因此, 如果有一天星际旅行家们真的建造出了像生命传输机那样的装置, 我们所要做的将只是设法把接收和复现装置送到目的地 (《星际迷航》中连这些装置也省略了, 看来经费的确是比较紧张), 此后两地之间的旅行在原则上就可以像今天人们所熟悉的电波通讯那样快捷和 “方便” 了。

那么像生命传输机那样能够把生命分解为基本粒子, 并在异地完整复现的装置在物理上是否可以实现呢? 如果可以实现, 它的作用过程是否会像人们在《星际迷航》中所看到的那样呢? 这些就是本文所要讨论的问题。 至于生命传输机所引发的有关生命哲学方面的思考则不在本文的考虑之列, 感兴趣的朋友可以去看看《心我论》或其他类似的书。

按照前面的介绍, 生命传输机在物理上能否实现的一个关键的环节, 就在于能否获得有关生命微观结构的完整信息。 我们不妨回想一下, 在宏观世界里如果我们要复制一样东西, 比方说一件家俱, 该怎么做? 通常我们会从各个角度对所要复制的家俱进行观察, 研究它的材料, 分析它各部件的拼合方式, 如此等等。 从物理学的角度讲, 所有这些都是对被复制的物体进行观测, 复制过程所需的信息就来源于这些观测。 这些观测所需达到的细微程度则显然与复制本身所需达到的精密程度密切相关。 对于家俱而言, 人们关心的是它的外观、 手感、 强度等性质, 复制物只要在这些性质上做到与原件难以区分就可以了。 由于所这些性质都是宏观性质, 有关它们的信息都是宏观信息, 因此为复制家俱所需的观测是宏观意义上的观测, 这样的观测在物理学上是没有任何原则性困难的。

那么复制生命的情况又如何呢? 这里所说的复制生命不是今天大家正在热议的克隆 (clone), 克隆所复制的只是生命的躯壳, 而我们讨论的是真正地、 全息意义上的生命复制。 这种复制不仅包括躯壳, 还必须包括记忆、 意识、 情感、 智慧等原生命体所具有的全部重要特征。 这里我们遇到的第一个巨大的困难就是我们并不清楚生命——尤其是像人类这样的 “高等” 生命——的全部奥秘, 比方说我们迄今还不了解意识的物理起源。 我们不清楚人的意识以及其它许多深层功能的存在究竟是依赖于人体在哪个物质层次上的结构, 是原子、 分子层次? 还是细胞层次? 亦或干脆就是一种独立的存在? 依据答案的不同, 为传输生命所需获得的有关生命结构的信息, 以及在传输和复现生命过程中所需使用的物质基元 (building block) 将会有所不同。

很明显, 在没有找到这些问题的真正答案之前是无法对复制生命的可行性做出准确判断的。 不过从星际旅行的角度讲, 如果生命传输机所需传输的是细胞 (或细胞以上的组织), 那么由于细胞本身就是一种初等的生命, 在星际间的环境和时间跨度上维持它们与直接让人进行星际旅行所面临的困难也许只有程度上的差别, 从而生命传输机对于星际旅行的价值就要大打折扣。 本文将不讨论这种类型的生命传输机 (《星际迷航》中的生命传输机显然也不是这一类型的)。 另一方面, 如果复制生命需要涉及非物质的东西 (比方说如果意识是物质以外的独立存在), 那么我们目前显然尚不具备讨论这一问题的物理学依据。

因此本文所要——或者说所能够——讨论的只有一种情形: 即对生命的复制是在原子、 分子或其它基本粒子层次上进行的。 这也是生命传输机对星际旅行来说具有最大价值的情形 (《星际迷航》中的生命传输机就属于这一类型)。 因为正如前面所说, 同一类型的基本粒子 (或简单的粒子组合如原子、 分子) 在量子力学意义上是全同的, 而且在这一层次上物质的组元 (质子、 电子等) 在宇宙中是普遍存在的, 这就使得直接传输组成生命的物质 (以及维持这种物质) 成为不必要, 从而大大简化了生命传输机的结构。 对于这种类型的生命传输机, 只要我们能获得有关生命微观结构的完整信息, 它的制造以及它在星际旅行中的使用至少在理论上就具有了相当大的可能性。

因此问题归结为我们是否有可能获得有关生命微观结构的完整信息。

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 1021 GB (一个 GB 约等于 10 亿比特)。 1021 GB 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 100 GB 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!

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!

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, 它和复制家俱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”——黑体幅射问题——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……

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[注二]。 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。

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, 并且有本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)、 海森堡 (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。

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!

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[注三]。 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份多的独立测量, 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。

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。

绕了一圈我们依然两手空空。

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。

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 [图一] 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 (1 Mev), 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 (1016 J), 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” 背后所蕴涵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 [图一] 所示的那样点尘不惊的。 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[注四]。 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。

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份故事——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。

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注释

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。

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