第14章 上天入地
關於空間與時間的實驗
從阿格裡琴托的恩培多克勒用土、空氣、火和水解釋宇宙到今天，人類對空間和時間的理解走過了漫長的旅程。我們所取得的很多成就，從牛頓理論到20世紀的革命性發現，都由於理論預言與實驗結果的精確符合而得以驗證。但時間推移到了20世紀80年代中期，我們似乎成了過去輝煌的受害者。在科學家們孜孜不倦的好奇心的驅動下，當代理論已進入實驗技術無法觸及的領域。
不過，實驗學家們當然不會就此甘心，靠著勤奮和運氣，他們找到了一些檢驗當代最前沿思想的方法，這些方法將在未來的幾十年間付諸實踐。我們在本章中將會看到，一些已經啟動或正在計劃中的實驗將幫助我們弄清額外維度存在與否，暗物質和暗能量的組成，質量的起源與希格斯海，早期宇宙學的某些方面，超對稱的相關內容，甚至弦論的真實性。所以，要是我們再有一點運氣的話，一些在統一理論、空間與時間的性質以及宇宙的起源等方面富於想像力和革命性的思想將最終得以檢驗。
陷入困境的愛因斯坦
在為建立廣義相對論而艱苦奮鬥的那10年間，愛因斯坦從各種源頭尋求靈感。其中，由18世紀的著名數學家卡爾·弗雷德裡希·高斯、詹諾斯·波爾約、尼古拉·羅巴切夫斯基和格奧爾格·伯恩哈德·黎曼等人所創立的關於彎曲形狀的數學帶來的影響最為深遠。我們在第3章曾經討論過，歐內斯特·馬赫的思想也曾為愛因斯坦帶來過靈感。還記得馬赫所提出的空間的關係概念嗎？對於馬赫來說，空間只是一種指定不同物體彼此之間的相對位置的語言，其本身並不是一種獨立實體。起初，愛因斯坦是馬赫觀點的熱情擁護者；因為在當時看來，馬赫的觀點最具相對論性。但是隨著對廣義相對論理解的加深，愛因斯坦認識到廣義相對論與馬赫觀點並不能完全相容。根據廣義相對論，在牛頓的那個在真空中旋轉的桶中，水面會成凹陷狀；這一點與馬赫觀點相矛盾，因為水面凹陷相當於暗示著絕對的加速概念。不過即使這樣，廣義相對論還是在很多方面同馬赫的觀點相一致，在未來的幾年間，醞釀了差不多40年、造價高達5億美元的實驗將檢驗馬赫原理中最著名的一個性質。
將在這個大型實驗中研究的物理可以追溯到1918年。那一年，奧地利物理學家約瑟夫·蘭斯和漢斯·塞林利用廣義相對論證明：就像有質量的物體會使空間和時間彎曲——想想蹦床上的保齡球，旋轉的物體也將拖曳其周圍的空間（與時間）——這次你可以想想掉進果醬桶中的旋轉石塊。這一現象被稱之為框架曳引；我們來舉個例子以說明這一現象。想像一個向著急速旋轉的中子星或者黑洞自由下落的小行星，它會被捲入旋轉空間的漩渦中，在其下落的過程中會被拖動著旋轉，這種效應就是框架曳引。而這種效應之所以被稱之為框架曳引是因為從小行星的角度看——從其參考系看來——它並沒有被拖動旋轉。不但沒有旋轉，小行星甚至是沿著空間格子按直線下落；但是由於空間形成了漩渦（如圖14.1所示），格子變得扭曲。所以“直線下落”的概念和你以往在平直空間中形成的印象有所不同。
圖14.1 有質量的旋轉物體會拖曳其周圍的空間——可以隨便放入任何東西的框架。
為了看清楚框架曳引效應和馬赫原理之間的聯繫，讓我們來試想一種由巨大的有質量的旋轉空心球引起的框架曳引效應。1912年愛因斯坦（甚至在其完成廣義相對論之前）首先進行了有關計算，1965年戴爾特·布裡爾和傑弗裡·科恩對愛因斯坦的討論做了重要擴充，最後，1985年，德國物理學家赫伯特·菲斯特和K·布勞恩徹底完成了這一計算。這些物理學家的相關工作表明，空心球內部的空間會被旋轉運動拖曳，形成漩渦狀的旋動。1如果被固定住的桶內裝滿了水——所謂的“固定住”指的是從遠處的參考點看——並被放到這樣的一個旋轉空心球內，那麼根據計算，旋轉的空間會對處於靜態的水施加力的作用，使水相對於桶旋轉起來，水面凹陷下去。
這樣的結果肯定會令馬赫非常高興。儘管他可能會不喜歡“旋轉的”空間這樣的說法——因為這樣的術語將時空視作某種東西——但他肯定會對空間與桶之間的相對旋轉運動導致水面形狀改變非常滿意。事實上，如果外殼具有足夠多的質量，多到足以與整個宇宙的質量不相上下，那麼根據計算可知，無論你將這一過程看做空心球繞著桶旋轉，還是看做桶在空心球內旋轉，都沒有關係。正如馬赫所主張的那樣，唯一有關係的是兩者之間的相對運動。我在上文中提到的這一計算沒有用到除廣義相對論之外的任何東西，所以它可算作是愛因斯坦理論中一個具有明顯的馬赫性質的例子。（不過，根據標準的馬赫式推理，在無限大的空宇宙中旋轉的桶裡，水面會保持平面不變；但是根據廣義相對論所得出的結論則並非如此。菲斯特和布勞恩的計算告訴我們，質量足夠大的旋轉球面能夠完全隔絕通常情況下球面外的空間所帶來的影響。）
1960年，斯坦福大學德萊奧納德·席夫和美國國防部的喬治·普夫分別獨立提出，框架曳引的廣義相對論預言可以利用地球的自轉實驗檢驗。席夫和普夫認識到，在牛頓理論中，懸浮在高於地球表面的軌道上的迴旋陀螺儀——連在一根軸上的旋轉輪——會一直指向固定的方向。但是根據廣義相對論，迴旋陀螺儀的軸會由於地球的空間曳引而很輕微的旋轉。與菲斯特和布勞恩的計算中用到的假想空心球相比，地球的質量非常之小，相應的，地球的旋轉導致的框架曳引效應也非常之小。詳細的計算表明，如果迴旋陀螺儀的轉動軸初始指向選定的參考星，一年之後，緩慢的空間旋轉會使迴旋陀螺儀的指向改變十萬分之一度。這一度數大約是鐘錶上的秒針在兩百萬分之一秒中轉過的角度，所以，這樣的探測無疑是對當代科學技術及工程能力的巨大挑戰。
經過40年的發展，產生了近百篇博士論文之後，由弗朗西斯·艾弗裡特領導、NASA資助的斯坦福組已經準備啟動這一實驗，在未來的幾年間，漂浮在400千米之外的太空中、裝備著有史以來最穩定的迴旋陀螺儀的引力探測器B衛星將開始探測由地球的自轉導致的框架曳引效應。一旦這一實驗取得成功，它將成為有史以來最精確的廣義相對論實驗，並為馬赫效應帶來第一個直接證據。2該實驗也可能探測到與廣義相對論的預言有所偏離的結果，這種可能性也同樣令人興奮。如果真的得到這樣的結果的話，廣義相對論中這小小的不和諧之音將使我們初窺迄今未見的時空性質。
捕獲波
廣義相對論告訴我們的一件重要事情是質量和能量可以使時空結構發生蜷曲。我們在圖3.10中曾展示過太陽周圍的彎曲情況。但是，靜態的圖片不能說明所有的問題，它有一定局限性，因為靜態圖片不能告訴我們當質量和能量發生轉移或者以某種方式改變其自身構成時，空間的蜷曲將如何演化。3要是你非常老實地站在一張彈簧床上，彈簧床就會保持固定的彎曲形狀；而一旦你開始亂蹦亂跳，彈簧床就會跟著上下起伏。廣義相對論也能給出與此類似的預言，如果物質處於完美的靜止狀態，空間就會保持固定的蜷曲形狀，如圖3.10所示的那樣；但是一旦物質運動起來，空間的結構就會有所起伏。愛因斯坦在1916～1918年間認識到這一點，就在那個時期，他利用時新的廣義相對論方程證明——就像在廣播天線上來來回回的電荷會產生電磁場一樣（無線電波與電視信號就是這樣產生的）——物質的猛烈湧動（比如超新星爆發）會導致引力波的產生。因為引力就是曲率，所以引力波就是曲率波。將一塊鵝卵石投入池塘會激起層層漣漪，向外擴散；旋轉的物質會導致向外傳播的空間漣漪。根據廣義相對論，遙遠天際中的超新星爆發就像投入時空這片巨大的池塘中的鵝卵石一樣，會激起層層漣漪，如圖14.2所示。這張圖展示了引力波與眾不同的一個重要性質：不同於電磁波、聲波和水波這些穿行於空間傳播的波，引力波就通過空間自身傳播。引力波傳播的就是空間本身的扭曲波動。
圖14.2 引力波就是空間結構中的波紋。
儘管現在的人們已經把引力波當做是廣義相對論的預言接受了下來，但是，有關這一課題的研究一直含混不清，飽受爭議。造成這種情況的部分原因在於有些人死守著馬赫哲學不放。如果廣義相對論與馬赫的思想完全協調一致，那麼“空間的幾何”就只能算是一種可以很方便地表述一個有質量的物體相對於其他物體的位置與運動的語言。以這種方式思考的話，真空這一概念將意味著真正的空空如野，那麼討論真空本身的波動還有什麼合理性呢？很多物理學家曾試圖證明假想中的空間中的波只不過是對廣義相對論的數學的一種曲解。但是，所有的理論分析最後總是歸結到正確的結論：引力波是真實的，空間可以波動。
引力波的波峰波谷川流不息，在某一方向上拉伸空間——及其中的一切，再在另一垂直方向上壓縮空間——及其中的一切。如圖14.3所示。原則上，你可以通過反覆測量多個不同位置之間的距離，發現這些距離之間的比率有所變化來探測到引力波。
但在實踐中，沒有人能夠完成這樣的任務，因而從未有人直接探測到引力波（即使這樣，我們仍然有間接的有力證據支持引力波的存在4）。這一實驗的困難之處在於，經過的引力波所帶來的空間扭曲效應太小。1945年7月16日在新墨西哥州的Trinity74試爆的原子彈產生了相當於2萬顆TNT炸藥爆炸所產生的能量，所發出來的光異常強烈，以至於數英里之外的目擊者仍需要帶上護具以防止眼睛被原子彈產生出來的電磁波傷害。然而，即使你就站在放置原子彈的百英尺高鐵塔之下，由爆炸所產生的引力波也僅僅會使你的身體拉伸不足原子直徑的長度。引力波所帶來的波動就是如此之弱，這無疑暗示著探測引力波是對技術能力的巨大挑戰。（因為我們也可以將引力波看做是數目巨大的引力子按同樣的方式運動——就像電磁場是由數目很多的光子組成——所以引力波的影響之弱也暗示著探測到單個引力子非常困難。）
圖14.3 引力波穿過物體的時候，會忽而這樣忽而那樣地拉伸物體（在這張圖片中，典型引力波的扭曲尺度被極度的放大了）。
當然，我們感興趣的並不是探測到原子彈爆炸所產生的引力波。但即便我們感興趣的是能量要大得多的天體源產生的引力波，要探測到其存在也並非易事。天體源距離我們越近、質量越大，並且有關的運動能量越高、運動越猛烈，我們所接收到的引力波就將越強。但是，就算在10000光年遠的距離上有一顆恆星變成了超新星，傳到地球上的引力波的強度也就只能使1米長的桿拉伸千萬億分之一厘米——大約只是原子核尺度的百分之一。所以，除非在距離我們相對近些的位置上發生了某種出人意料的超大規模天體物理事件，否則的話，我們就只能通過發展能夠探測在難以置信的小尺度上的尺寸變化的實驗裝置才能探測到引力波。
設計並建造了激光干涉儀引力波探測器（LIGO）（由美國國家科學基金出資，加州理工學院和麻省理工學院聯合運作）的科學家們接受了這一挑戰。LIGO受人矚目，具有令人難以相信的精度。它由兩個空心管組成，每一個有4千米長，1米多寬，這兩個管排成巨大的L形。激光在每一個管內的真空通道中同時照射，並被高度拋光的鏡子反射，人們就用這樣的裝置高精度地測量相對長度。這一裝置的設計思想在於，經過的引力波會使某一根管子相對於另一根有所拉伸，一旦這種拉伸足夠大，科學家們就能探測到引力波的存在。
這樣的管子之所以要造得很長是因為引力波帶來的拉伸和壓縮具有累加性。也就是說，如果引力波能把某個長4米的東西拉伸10-20米，那麼它就同時能把另一個4千米長的東西拉伸10-17米。因而，探測的空間間隔越長，測得其長度發生改變就越容易。為了能夠更好地利用這一點，LIGO實驗實際上是讓激光束在置於每根管子相反兩端的鏡子之間來來回回地反射上百次，這樣可以利用每束激光實際探測大約800千米的長度。有了這樣聰明的技巧和先進的工程技術，LIGO有能力探測到管中如人類頭髮絲的萬億分之一的長度——原子的億分之一——上的改變。
對了，這樣的L形裝置實際上有兩個。一個坐落於美國路易斯安那州的利文斯頓，另一個位於2000千米之外華盛頓州的漢福德。遠方的天體物理喧囂通過引力波使地球感受到的時候，會帶給兩個探測器相同的影響，我們在一個探測器上看到的引力波應該與在另一個探測器上看到的一樣。用兩台探測器進行這樣的交叉檢驗非常有必要，因為即使人們採用了種種手段屏蔽探測器，那些生活中常見的振動（比如卡車通過時的隆隆聲，鏈鋸的嗡嗡聲，轟然倒下的大樹，如此等等）還是有可能會冒充引力波。而要求相隔很遠的兩個探測器上得到相同的結果則會排除掉這些可能的錯誤信息。
對於包括超新星爆發、非球形中子星的旋轉運動，以及兩個黑洞之間的碰撞在內的一大類可能產生引力波的天體現象，研究人員們都仔細計算了其引力波的頻率——每秒鐘內通過探測器的波峰波谷數。沒有這些信息的話，實驗家們就是在大海撈針；有了這些信息的話，實驗家們就可以將他們的探測器聚焦到物理上感興趣的波段。嚴格上講，計算表明某些引力波的頻率在每秒幾千次左右；這些波要是聲波的話，那它們就在人類的聽覺範圍內。中子星聽起來就像音調急速升高的嘰喳聲一樣，而一對碰撞的黑洞聽起來則像被風當胸猛吹的麻雀發出的顫音一樣。振蕩於空間結構中的引力波就像叢林中的雜音一樣，如果一切按計劃進行，LIGO將是第一件能夠收聽這些聲音的器具。5
使這一切如此令人激動的原因在於，引力波最大程度地展現了引力的兩個主要性質：弱與無處不在。在所有的4種力中，引力與物質的相互作用最為微弱。正是這一點使得引力波能夠穿過光無法通過的物質，使得我們能夠觸及以前隱藏起來的天體物理領域。而且，因為萬物都受引力掌控（其他的力則並非如此，比如電磁力就只對帶電物體有作用），所以世間的一切都有可能產生引力波以及可觀測的信號。在這種意義上，LIGO可算是人類探索宇宙的轉折點。
曾幾何時，人類只能大睜雙眼，仰望星空。17世紀，漢斯·利伯希75和伽利略改變了一切；在望遠鏡的幫助下，宇宙的廣闊景象進入了人類的視野。很快地，人類就認識到可見光只是整個電磁波段中很窄的一塊。20世紀，在紅外、無線電、X射線以及伽馬射線望遠鏡的幫助下，宇宙在我們的眼前變得煥然一新，我們看到了用肉眼不能看到的波段處的宇宙景象。現在，21世紀到了，天空的疆域在我們的面前再一次擴大了。利用LIGO及其未來的升級版，76我們將能以一種全新的方式重新審視宇宙。我們沒有使用電磁波，而是使用了引力波；沒有利用電磁力，而是利用了引力。
為了更好地體會這種新技術可能帶來的革命性進展，我們可以想像有一群外星世界的科學家剛剛知道了如何探測電磁波——光，他們還在思考這一發現在短期內將如何改變他們對宇宙的認識。我們也正好處在第一次探測到引力波的前夜，與那些外星科學家所處的情況很類似。我們仰望這個宇宙已經幾千年了，現在，人類有史以來第一次，我們得到了聆聽它的機會。
尋找額外維度
1996年之前，在大部分將額外維度的想法納入其中的理論模型中，額外維度的尺度都是普朗克量級的（即10-33厘米）。這樣的量級比當前實驗可能觸及的區域小了足足17個量級，如果技術上沒有什麼奇跡發生的話，普朗克尺度上的物理不可能進入我們的研究領域。但是如果額外維度很“大”，大於萬億億（10-20）分之一米——大約是原子核尺度的百萬分之一，那麼普朗克尺度的物理就有可能成為我們的研究對象。
正如我們在第13章中討論過的那樣，如果有一些額外維度“非常大”——大到幾個微米的水平上——對引力強度的精確測量就將揭示它們的存在。這樣的實驗已經進行了幾年，技術上也是日新月異。到目前為止，人們還沒有發現偏離三維空間中平方反比率的跡象，研究人員正在進一步探索更小的尺度。一旦發現偏離的信號，物理學的基礎將被猛烈的撼動。這樣的信號會提供只對引力開放的額外維度存在的堅實證據，並對膜世界機制和弦論或M理論提供強勁的間接證據。
如果額外維度不小，但又並不是非常大，那麼精確的引力實驗就可能探測不到它們的存在，但是其他的間接方法還有可能起作用。比如說，我們在前面的討論中曾經提到過，額外維度的存在暗示著引力的內稟強度可能比之前認為的要大。引力在觀測上的微弱性可能是由於引力部分滲透到了額外維度中導致的，而不是由於其本身微弱導致的；在很小的尺度上，引力還不能進入額外維度，引力可能很強。由此導致的其他推論姑且不提，單說產生小黑洞所需要的質量和能量，就有可能比之前在一個引力本身就很弱的宇宙中預計需要的能量少很多。在第13章中，我們曾經討論了這樣的微觀黑洞在大型強子對撞機——現在正在瑞士的日內瓦建造中的粒子加速器，預計於2007年完工77——上的高能質子質子碰撞過程中產生的可能性。這樣的前景激動人心。肯塔基大學的阿爾佛雷德·夏皮爾和加利福尼亞大學歐文分校的喬納森·馮為我們帶來了另一種令人興奮的可能性。他們發現，宇宙線——穿過太空而來、連續的轟擊著大氣層的基本粒子束——也有可能導致微觀黑洞的產生。
宇宙線粒子最初於1912年由奧地利科學家維克多·海斯發現；90多年過去了，關於宇宙線仍有很多未解之謎。每秒鐘都會有大量的宇宙線進入大氣層，並產生數以十億計的次級粒子雨，這些次級粒子會順利地穿過你我的身體，其中的一部分有可能被分佈於這個星球上的各種專用探測器觀測到。但是沒有人能夠完全知曉組成宇宙線的粒子究竟有哪些種類（雖然我們知道它們中的絕大部分是質子），我們僅僅知道宇宙線中的一部分高能粒子來自於超新星的爆發。至於能量最高的那些宇宙線粒子究竟起源於何方，人們還沒有什麼好的想法。比方說，1991年10月15日，位於猶他州沙漠中的蠅眼宇宙線探測器觀測到一個能量相當於300億個質子質量的粒子劃過天際。這一粒子所具有的能量如此巨大，幾乎同馬裡亞諾·李維拉78投出的快球中的單個亞原子粒子所具有的能量一樣大；是大型強子對撞機（LHC）上產生的粒子的能量的1億倍。6這樣的觀測事實令人非常困惑，因為沒有任何已知的天體物理過程能夠產生如此高能量的粒子；實驗學家們一直在用更加精確的探測器收集更多的數據以便解決這一謎題。
對於夏皮爾和馮來說，超高能宇宙線粒子究竟來自何方還不是最值得關注的問題。這兩位物理學家認識到，不論這樣的粒子來自於哪裡，只要微觀水平上的引力遠遠強於人們以前所認為的程度，這些超高能宇宙線粒子就有能力在撞入高層大氣的時候創造出一個小黑洞。
通過碰撞產生出來的這些小黑洞對實驗學家們和大尺度上的世界完全無害。這些小黑洞一產生出來很快就會分解，隨之放出大量具有某種特徵的其他比較基本的粒子。事實上，微觀黑洞非常短命，以至於實驗學家們甚至沒有辦法直接探測到它們的存在；實驗學家們只能通過仔細分析落到探測器上的微觀黑洞粒子雨來發現蛛絲馬跡。世界上最靈敏的宇宙線探測器，皮埃爾·奧格天文台——可觀測的範圍差不多有整個羅德島那麼大79——正在阿根廷西部的大草原上建造中。夏皮爾和馮估計，如果所有的額外維度都是10-14米那麼大的話，那麼只要收集一年的數據，奧格探測器就有可能發現由產生於高層大氣的微觀黑洞導致的特徵粒子碎片。如果奧格探測器沒有發現這樣的微觀黑洞信號，那麼額外維度就必須更小。找到產生於宇宙線碰撞的微觀黑洞的殘留信息的概率當然很小，但一旦成功，就無疑為我們打開了第一扇能看得到額外維度、黑洞、弦論以及量子引力的窗戶。
除了黑洞的產生，研究人員在未來的10年間還可以利用另外一個基於加速器的方法來尋找額外維度。有的時候，兜裡的硬幣悄悄地就不見了，怎麼回事呢？因為硬幣順著兜中的漏洞跑到衣服的夾層中了。用加速器來發現額外維度這一方法的核心思想就是複雜版的“跑到夾層中了”。
能量守恆是物理學中的一條核心原理。儘管能量可以以多種形式存在——被球棒擊飛的棒球因為運動而具有動能，因為向上飛行而具有重力勢能，因為撞擊地面和激發各種振動而具有聲能和熱能；但只要你把所有種類的能量全部算清楚，你就會發現過程結束時的總能量總是等於過程開始時的總能量。7直到今天，人們還沒有發現任何與這一完美的能量平衡定律相衝突的物理事件。
但是在考慮額外維度理論時，情況可能會有所不同。人們可能會在最新升級的費米實驗室和即將運行的大型強子對撞機上的高能物理實驗中發現一些破壞能量守恆的過程——碰撞結束時的能量少於碰撞開始時的能量的過程，不過，具體如何要看假想中的額外維度究竟有多大的尺寸。造成這種情況的原因有點類似於你弄丟的硬幣：能量（引力子所具有的）也有可能鑽到縫隙中——微小的額外空間——從而導致計算能量的時候會少掉一部分。這種“丟失能量信號”的可能性以另一種方式告訴我們，宇宙的結構所具有的複雜性遠超我們的直接所見。
必須承認，我對額外維度的理論稍有些偏心。畢竟，我在這一領域奮鬥的時間已經超過15年了，額外維度的某些方面在我心中佔有特殊地位。不過，即使承認了我的偏心，我還是要說：我很難想像出有什麼發現比找到超出了我們所有人都熟悉的三維的額外維度的證據更令人興奮了。在我心目中，眼下還沒有什麼其他重要想法的實驗驗證能夠如此徹底的震撼物理學的基礎，能夠使我們必須去質疑基本層面上看起來不證自明的真實性原理。
希格斯、超對稱，還有弦論
近來，人們之所以要升級費米實驗室的加速器和建造龐大的大型強子對撞機，並不僅僅是出於探索未知的科學好奇心以及發現額外維度的考慮，還有很多特殊的動機，其中之一就是找到希格斯粒子。我們在第9章中曾經討論過，令人迷惑不解的希格斯粒子是希格斯場——物理上假想的場，其所形成的希格斯海能賦予其他種類的基本粒子以質量——的最小組成。當前的理論研究和實驗進展都在向人們暗示，希格斯粒子的質量應該在質子質量的100～1000倍。如果希格斯粒子的質量就在這一範圍的下限附近，那麼費米實驗室就有很大的機會在未來的幾年內找到希格斯粒子。當然，如果費米實驗室沒能成功但是估算的質量範圍還是正確的話，大型強子對撞機應該在10年之內產生大量的希格斯粒子。希格斯粒子的發現將是一個里程碑式的成就，因為它將最終確認一種理論粒子物理學家和宇宙學家在沒有任何實驗證據的情況下提出了幾十年的粒子的存在。
費米實驗室和大型強子對撞機的另一個主要目標是發現超對稱的證據。回憶一下第12章，我們曾經討論過自旋相差1/2的超對稱粒子對以及超對稱的想法如何起源於20世紀70年代早期的弦論研究。如果真實世界真的具有超對稱性，那麼每種已知的自旋1/2的粒子都會有一種自旋0的超對稱伴；每種已知的自旋1的粒子都會有一種自旋1/2的超對稱伴。比如說，自旋1/2的電子會有一種自旋為0的夥伴，稱為超對稱電子（suPersymmetricelectron），或簡稱為超電子（selectron）；自旋1/2的夸克會有一種自旋為0的夥伴，稱為超對稱夸克（suPersymmetricquarks），或簡稱為超夸克（squarks）；自旋1/2的中微子會有一種自旋為0的超中微子（sneutrino）相伴80；對於自旋為1的膠子（gluon）、光子（Photon）、W玻色子和Z玻色子來說，也分別有自旋1/2的gluinos, Photinos, winos與zinos相伴（是的，物理學家們在命名上總有些偷懶）。
那麼為什麼沒人探測到這些假想中的粒子呢？對此，物理學家們只能解釋為這些超對稱粒子的質量比對應的已知粒子的質量大。理論分析表明，超對稱粒子的質量可能是質子質量的1000倍左右，如果真是這樣的話，實驗上沒有看到任何這些粒子的信號就毫不為奇了——現有的原子對撞機沒有足夠的功率來製造出這些粒子。不過，這一現狀將在接下來的10年間得以改變。首先，費米實驗室最近升級的加速器就有可能發現超對稱粒子。其次，就像前文關於希格斯的討論一樣，要是費米實驗室沒有發現超對稱的證據，但之前的理論對超對稱質量範圍的估計非常準確的話，大型強子對撞機就應該能夠製造出這些粒子。
超對稱的實驗驗證將是最近這20多年間基本粒子物理領域最重大的進展。這一進展將使我們對於超出成功的粒子物理標準模型的新物理的理解更進一步，並且間接證實弦論至少沒有在錯誤的軌道上前進。但請注意，它並不能證明弦論本身。雖然超對稱是在發展弦論的過程中建立起來的，但是物理學家們早就認識到超對稱是更具普遍性意義的原理，並且可以非常容易地納入傳統的點粒子物理方案中。超對稱的實驗驗證雖然確立了弦論體系的一個重要組成部分並且會為下一步的研究指明方向，但它絕對不能算是弦論的信號。
另一方面，如果膜世界方案正確的話，即將到來的加速器實驗就有能力驗證弦論。我們在第13章已經簡要的介紹過，要是膜世界方案中的額外維度大到10-16厘米的話，那麼不僅引力要比以前認為的大，弦也比以前認為的要長得多。因為弦的長度越大硬度就會越小，振動弦所需要的能量也就會越小。在傳統的弦論體系中，弦的振動模式所具有的能量超出了當代加速器最高能量的千萬億倍；而在膜世界方案中，弦的振動模式所具有的能量可能只有質子質量的一千倍。要真是這樣的話，大型強子對撞機上的高能對撞就會像在鋼琴裡跳來跳去的高爾夫球一樣，有足夠多的能量彈奏出弦振動模式的多種音節。實驗學家們將會發現大量的前所未見的新粒子——也就是大量的前所未見的弦的振動模式——這些新粒子對應著弦論中不同的諧振模式。
這些粒子的性質及其之間的關係將明白無誤地告訴我們：它們都只是同一壯麗的宇宙樂章的一部分，它們雖不相同但卻是彼此相關的音符，它們都只是同一種物體——弦——的不同振動模式。在可預見的將來，膜世界方案將是弦論最可能被直接驗證的一種方案。
宇宙的起源
我們已經在前面的章節中看到，宇宙微波背景輻射在20世紀60年代中期被發現後，就一直在宇宙學的研究中扮演著重要角色。原因很明顯：當宇宙處於幼年的時候，空間中滿是帶電粒子——電子、質子，等等——這些帶電粒子會由於電磁力的緣故而連續的輻射光子。到了大爆炸之後的30萬年左右，宇宙逐漸冷卻，電子和質子組成了電中性的原子；從這個時候開始，輻射就開始幾乎不受干擾的在整個空間中穿行，從而為我們留下早期宇宙的快照。每立方米的空間中差不多有4億個原初宇宙微波光子，它們就是早期宇宙留下的遺跡。
最早測得的宇宙微波背景輻射在溫度上呈現出明顯的均勻性。但正如我們在第11章中討論過的那樣，晚近的一些探測——最早的宇宙背景探測器（COBE）以及稍後的一系列更先進的探測器所做的一些探測——發現了一些溫度細微改變的證據，如圖14.4（a）所示。圖中，不同的灰度標示著不同的數據，較亮的部分和較暗的部分之間的溫度差一般在萬分之幾度左右；那些斑點表示的是天際中微小但卻不可忽略的溫度變化。
圖14.4 （a）：COBE衛星所收集的宇宙微波背景輻射。自從大爆炸後的30萬年起，這種輻射就無阻的穿行於宇宙中，所以這張圖片反映的是距今差不多140億年以前的宇宙微小溫度變化。（b）：由WMAP收集到的更加精確的數據。
COBE實驗不但有了重大的發現，還從根本上改變了宇宙學研究的特點。COBE之前的宇宙學數據一般非常的粗糙。那個時候，一個宇宙學理論只要能夠大體上符合天文學觀測，就會使人們相信它。理論學家們可以在幾乎不怎麼需要理會觀測限制的情況下拋出一個又一個的理論。因為本來觀測限制就少得可憐，僅有的幾個又非常的不精確。但是COBE開啟了一個新紀元，宇宙學理論要受到一系列標準的嚴格限制。現在，任何一個新提出的理論在被人們接受之前，先得成功的算出還在不斷增加的大量精確的實驗結果。2001年，由NASA和普林斯頓大學合資興建的威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）衛星開始以近乎COBE的40倍的分辨率和靈敏度測量微波背景輻射。將WMAP的最初結果[圖14.4（b）]與COBE的結果[圖14.4（a）]相對照，你就會立即看出WMAP能夠畫出的圖究竟有多麼精細。正在由歐洲空間局建造中的另一顆衛星——普朗克——計劃於2007年發射，如果一切按計劃進行，普朗克衛星的分辨率將達到WMAP的10倍左右。
大量精確實驗數據的出現結束了宇宙學研究中良莠不齊的局面，暴漲理論成了主要的理論候選者。但是，我們在第10章曾經提到過，暴漲理論並不是只有一個版本。理論學家們已經提出了很多個不同版本的暴漲理論（舊暴漲理論，新暴漲理論，暖暴漲理論，混合暴漲理論，超暴漲理論，援暴漲理論，永暴漲理論，擴充暴漲理論，混沌暴漲理論，雙暴漲理論，弱標度暴漲理論，超自然暴漲理論，要知道這些還不是全部），每一種版本都具有標誌性的短時間急速膨脹爆發階段，但是在細節上又各不相同（場的數目或勢能的形狀有所不同，以及究竟是哪一種場位於勢能最低的位置等區別）。這些理論中的差別導致了在預言微波背景輻射性質時候的區別（具有不同能量的不同場有些微不同的量子漲落）。通過與WMAP和普朗克衛星所得到的實驗數據相比較，我們可以排除很多種理論上的可能性，使我們對宇宙的理解更進一步。
事實上，我們可以利用實驗數據來為宇宙學研究領域進一步瘦身。儘管被暴漲膨脹放大的量子波動可以為觀測到的溫度變化提供一個合理的解釋，但是暴漲理論還是有一個競爭者。我們在第13章講過的由斯坦哈特和塔洛克提出的循環宇宙模型就是另一種可能的理論候選者。當循環宇宙模型中的兩個3-膜彼此相對靠近的時候，量子漲落會使不同的部分以些微不同的速率彼此接近。當這兩片3-膜在差不多3萬億年後最終撞在一起的時候，膜上的不同位置會在不同的時刻彼此碰撞，就像兩張粗糙的砂紙拍在一起那樣。兩片膜沒能夠完美的均勻接觸導致了每一片膜不能完美的均勻演化。而我們已經假定這兩片膜中的一片就是我們的三維空間，所以膜的非完美均勻演化就是我們能夠探測到的不均勻性。斯坦哈特、塔洛克及其合作者提出，這種不均勻性導致的溫度變化可以與暴漲理論所預言的溫度變化具有相同的形式；因此，只用我們現在所擁有的數據的話，我們沒法區分循環宇宙模型與暴漲理論的宇宙學預言，兩者都能解釋當前的實驗觀測。
不過，在未來的10多年裡，越來越多的精細數據有可能將兩種方法區分開。在暴漲理論的框架下，被指數膨脹放大的並不只有暴漲子場的量子漲落，還有空間結構中的微小量子波紋。因為空間中的波紋不是別的，正是引力波（參見我們關於LIGO的有關討論），所以暴漲理論預言早在宇宙的最初時刻就有引力波產生。8我們一般將這種引力波稱為原初引力波，以區分於晚近時期由於猛烈的天體物理現象而產生的引力波。而在循環宇宙模型中則正好相反。在這一模型中，對均勻性的偏離是慢慢建立起來的，整個過程所用掉的時間長得不可想像，這是因為兩片膜要花差不多3萬億年的時間才能碰撞一次。膜的幾何結構和空間的幾何結構並沒有迅速的改變，這意味著根本就不會出現空間波紋。因而，循環宇宙模型根本就沒有預言原初引力波的存在。所以，一旦原初引力波被實驗驗證，那就意味著暴漲理論又取得了一次重大勝利，而循環宇宙模型則被實驗排除。
LIGO的靈敏度很有可能無法探測到暴漲理論所預言的引力波，但是建造中的普朗克衛星和另一個衛星實驗——宇宙微波背景偏振實驗（CMBPol）——則有可能實驗驗證這一預言。這兩個實驗，特別是CMBPol，所關注的並不僅僅是微波背景輻射的溫度變化，還會測量偏振，所探測到的微波光子的平均自旋方向。詳細解釋起來會涉及一連串的相關知識，所以我們在這裡只是簡單地說一下：來自於大爆炸的引力波可能會在微波背景輻射的偏振中留下某種印記，而這種印記可能大到足以被實驗發現的程度。
所以，10年之內，我們就可能會搞清楚究竟是真的有大爆炸這麼一回事呢，還是我們所熟悉的宇宙實際上是一張3-膜。在這個宇宙學的黃金年代，即使一些最瘋狂的想法也得到了實驗檢驗的機會。
暗物質、暗能量以及宇宙的未來
我們曾在第10章中瞭解到：大量的理論和觀測證據表明，宇宙的組成中只有5%是我們熟悉的物質——質子和中子（電子在普通物質中所佔的份額少於0.5%）——25%是所謂的暗物質，而另外的70%是暗能量。但是，物理學家們仍然沒能搞清楚這些暗物質和暗能量究竟是些什麼。很自然的，人們首先會猜想暗物質也是由質子和中子組成的，只不過以某種特殊的方式組合在一起，沒有形成發光的星體。然而，理論上的原因使得這樣的猜想不可能正確。
通過精細的實驗觀測，天文學家很清楚整個宇宙中到處都是輕的核元素——氫，氦，氘，鋰——的平均相對丰度。物理學家們相信這些輕核通過某一過程形成於宇宙的最初幾分鐘，理論計算這種形成過程得到的結果與實驗觀測符合得非常好。理論和實驗的這一精確符合是現代理論宇宙學的重大成就之一。但是，這種理論計算首先假定暗物質不是由質子和中子組成的；如果暗物質是由質子和中子組成的話，那麼在宇宙的尺度上，質子和中子就會成為宇宙的主要構成物質，這樣一來實驗觀測就將理論排除掉了。
那麼，如果組成暗物質的不是質子和中子，又是什麼呢？直到今天，雖然人們提出了大量的可能性，可是還沒有人能夠真正解決這個問題。從軸子到zino的很多名字都被人們拿出來當暗物質的候選者，毫無疑問，任何一位回答了這一問題的科學家必將被請到斯德哥爾摩一遊81。人們還未曾探測到哪怕是一個暗物質粒子，這一事實對暗物質的候選者們提出了很強的限制。這是因為暗物質並不只存在於外太空，它們遍佈於整個宇宙，也會存在於你我的身邊。關於暗物質的很多理論都會告訴我們，每秒鐘都會有數以10億計的暗物質粒子穿過你我的身體，因而可能的暗物質候選者必須得是那些穿過物質但卻不留下痕跡的粒子。
中微子可算是一種可能性。計算表明，大爆炸產生出來的中微子的殘留丰度大約是每立方米5500萬，只要3種中微子中能有一種重達質子質量的一億分之一（10-8），它們就能夠被當做暗物質的候選者。儘管近來的實驗已經獲得了中微子具有質量的有力證據，但是測得的中微子質量實在太小，比所需要的程度小了差不多100倍，所以中微子很難是暗物質。
另一個比較有希望的提議與超對稱粒子——特別是Photino, zino以及higgsino（分別是光子、Z玻色子和希格斯粒子的超對稱伴）——有關。上述的這些粒子是超對稱粒子家族中最冷漠的一些傢伙，它們常常可以在幾乎不受影響的情況下毫無聲息地穿過地球，使得我們很難追尋到它們的蹤影。9通過計算在大爆炸過程中到底產生了多少這樣的粒子以及存活到今天的還有多少，物理學家們估算出這些粒子的質量應該在質子質量的100～1000倍之間，只有這樣它們才能充當暗物質。這是一個非常誘人的結果，因為人們在完全不考慮暗物質和宇宙學的情況下，單從超對稱粒子模型和超弦的各種研究中得出的相關粒子質量範圍也是這麼大。兩類研究的結果交匯到了一起，這樣的事情只有在暗物質就是由超對稱粒子構成的情況下才能說得通。因而，我們也可以把在世界上現有的和即將啟用的加速器上尋找超對稱粒子看做是尋找可能性很高的暗物質候選者。
直接探測穿越地球而過的暗物質粒子的實驗也進行一段時間了。毫無疑問，這樣的實驗極具挑戰性。每秒鐘，在1/4平方米的面積上大約會穿過100萬個暗物質粒子；但即使這樣，每天能在專為暗物質而設計的探測器上留下痕跡的暗物質粒子一般不會超過一個。到目前為止，人們還沒能成功地探測到暗物質粒子。10既然暗物質還沒有使任何人獲得諾貝爾獎，實驗學家們當然會更加努力迎難而上。在未來的幾年間，暗物質的身份很有可能最終得以確認。
暗物質存在的最終確認及其身份的直接認證將是科學上的重大進步。人類將有史以來第一次搞清如此基本卻又難以捉摸的東西：宇宙的主要物質組成。
正如我們在第10章中看到的那樣，近來的實驗數據強烈地向我們暗示，即使暗物質的身份得以確認，有關宇宙內容的版圖中仍有一大塊尚需實驗檢審：對超新星的觀測提供了一些證據——宇宙中70%的能量可用一種具有外推作用的宇宙常數來說明。作為過去10年間最令人激動並且最出乎意料的發現，宇宙常數——充塞於空間的能量——的證據還需要更為嚴格的檢驗。為此，人們已經想出了很多的辦法，一些還在計劃之中，而另一些已經啟動。
微波背景輻射實驗也要扮演非常重要的角色。圖14.4中的斑點——每一個斑點代表的是溫度相同的一塊區域——反映的是空間結構的整體形狀。如果空間的形狀像球一樣，比如說像圖8.6（a）所示的那樣，向外的膨脹就會使斑點變得比圖14.4（b）中的大一點；如果空間的形狀像圖8.6（c）所示的那種馬鞍面，向內的收縮就會使斑點變小一點；如果空間的形狀像圖8.6（b）所示的一樣是平面，斑點就有可能變大也有可能變小。由COBE首先進行，WMAP進一步改善的精確測量強有力地支持了空間是平坦的這一主張。這樣的測量結果不僅與暴漲模型的理論預言相吻合，也與超新星的觀測結果完美吻合。我們已經知道，宇宙的空間平坦意味著總質量或總能量密度等於臨界密度。這樣一來，普通物質和暗物質一共佔宇宙總密度的30%，暗能量再貢獻了餘下的70%，一切就都和諧一致了。對超新星結果的進一步直接確認是超新星加速探測器（SNAP）的目標之一。由勞倫斯·伯克利實驗室的科學家們企劃的SNAP是一台隨衛星軌道運動的望遠鏡，它將觀測的超新星數目是目前已研究過的數目的近20倍。SNAP不僅能確認早前的觀測結果——即宇宙的70%為暗能量，還將更加精確的測定暗能量的性質。
你瞧，雖然我把暗能量描述成了愛因斯坦宇宙常數的另一個版本——恆定不變的推動著空間膨脹的能量——但還是有另一種密切相關卻有所不同的可能性。還記得我們有關暴漲宇宙學的討論嗎（那只四處蹦的青蛙）？某個場在其場值高於最低能量時可以像宇宙常數一樣，驅使空間加速膨脹，不過這樣的過程僅能持續一小段時間。這個場遲早會回歸到其勢能碗的最低位置，向外的推力也隨之消失。在暴漲宇宙學中，這個過程發生於短短的一瞬間。但要是引入一種新的場並小心的選取其勢能形狀，物理學家們就有辦法使加速膨脹變得不那麼猛烈但卻更加持久，這樣的話，該場就可以在跌回到最低能量位置之前，以相對較慢但卻持久的外推力驅動空間加速膨脹很長時間——長達幾十億年。這樣的想法引出了另一種可能，即，我們有可能正在經歷極度柔和版的暴漲膨脹——且有理由相信這一膨脹過程開始於宇宙的最初時刻。
真實的宇宙常數與後一種可能性——即所謂的精質（quintes-sence）——之間的區別對於今天來講並不重要，但從長遠來說卻對宇宙影響深遠。宇宙常數是一個常數，它使得宇宙可以永不停息的加速膨脹。在宇宙常數的作用下，宇宙的膨脹會變得越來越快，宇宙的疆域也會越來越遼闊，同時，宇宙也變得更加稀薄，荒涼。但是由精質導致的膨脹會在某個時刻之後慢慢終結，與永遠加速膨脹的宇宙相比，這樣的宇宙擁有一個不那麼荒涼的未來。通過測量空間加速度在長時間間隔的變化（通過觀測不同遠近——也就是不同時間——的超新星來進行這種測量），SNAP將有可能得以辨別這兩種可能性。一旦SNAP為我們解開暗能量是否真的就是宇宙常數這一謎題，我們就有機會洞察宇宙未來的命運。
空間、時間以及猜想
探索空間和時間性質的旅程漫長遙遠，其間滿是各種驚奇，而且毫無疑問，人類在這一旅程中仍處於起步階段。在過去的幾個世紀裡，人類經歷了一個又一個的重大突破，這些突破以激進的方式一次又一次的改變了我們關於空間和時間的概念。我們在這本書中所討論的理論和實驗進展代表著我們這一代的物理學家們對這些概念的梳理，並且很有可能就是我們科學遺產的主要部分。在第16章中，我們將要討論一些最新的帶有猜想性質的進展。通過這樣的討論，我們或許可以看一看人類探索旅程的下一步可能通向何方。但是首先，我們將在第15章中想想另外一些不同的方向。
科學發展沒有確定的模式，歷史一再地告訴我們，思想上的突破通常是通往技術手段的第一步。人類在19世紀理解了電磁力，正是這一理解使我們最終擁有了電報、無線電和電視。有了電磁的相關知識，再加上稍後人類對量子力學的理解，我們又擁有了計算機、激光，以及種種數也數不過來的電子器件。對核力的理解既使人類得到了有史以來最強大的危險武器，也使人類有希望在未來的某一天只靠大量的鹽水就能滿足整個世界的能源需求。我們對空間和時間的深入理解會不會也只是類似的技術發展模式的第一步呢？我們有沒有可能在未來的某一天瞭解時間和空間的奧妙，利用我們的相關知識實現一些現今只能出現在科幻故事中的構思呢？
沒有人知道，但是我們可以一起看看我們已經有了些什麼以及哪些神奇的構思有可能在未來的某一天得以實現。
第15章 超距傳輸器與時間機器
在時空中旅行
退回到20世紀60年代，當時的我或許真的是缺乏想像力。但在企業號82的甲板上看到電腦確實令我感到難以置信。作為一個20世紀60年代的小學生，我可以接受空間躍遷，我也可以接受宇宙中到處都是說著英語的外星人；但我真的難以想像竟然有一台這樣的機器：它可以根據要求立即播出歷史人物的畫面，詳細解說任何已有設備的技術細節，又或者調出任何一本已出版著作。這樣的一台機器超越了我的想像極限，令我很難相信。20世紀60年代末的時候，一個小孩當然會認為永遠都不會有辦法收集、存儲如此巨量的信息。但僅僅半個世紀後，我就可以坐在廚房裡用筆記本電腦無線上網，可以使用語音識別系統，還可以看《星際迷航》，手都不抬一下就可以在巨型的知識庫中尋找資料——重不重要的都可以找到。誠然，《星際迷航》中的23世紀電腦有著令人羨慕的速度和效率，但是今天的我們也可以預見，一旦真的到了23世紀，我們的電腦技術將大大超越影片中勾畫的水平。
上面講的只是科幻小說預言未來的眾多例子中的一個。但在《星際迷航》這部電視劇中，最值得稱道的儀器還得算是超距傳輸器——走進一間艙室，按一下按鈕，然後你就被傳送到遙遠的地方或完全不同的時代。有沒有可能在未來的某一天，人類真的可以超越空間與時間的局限，自由穿梭於時空，探索時空的最遠疆界呢？科幻小說與科學之間的鴻溝有沒有可能被填平呢？考慮到我已經告訴過你們，我小的時候完全沒有辦法相信真的會有信息革命到來的這一天；你們完全可以質疑我在預言未來技術突破方面的能力。所以，我們在這一章中不會妄加猜測未來會有什麼，而要談談在朝著掌控空間和時間、實現超距傳輸器和時間機器前進的方向上，我們在理論和實踐上已經取得了哪些進展。
量子世界的瞬間移動
在傳統的科幻故事中，超距傳輸器（或者按照《星際迷航》中的名稱，傳送器）先要掃瞄某個物體以確定其全部組成信息，然後將這些信息發送到遠方的某個位置，在那裡，另一台機器將按照這些信息重構該物體。不管是先將物體本身“分解”，然後將其原子分子與藍圖一起傳送到遠處來構建該物體的副本，還是直接用遠端的分子和原子來構建物體的副本，都只是不同版本的小說式虛構。我們將會看到，過去10年間發展起來的超距傳輸方法在本質上與後一種情形倒有些接近，但由此引出兩個問題。第一個是標準但卻棘手的哲學難題：如果真的可能的話，究竟從什麼時候開始，我們才可以將副本識為、稱為、認為是原始的物體，並像對待原始物體一樣對待副本？第二個問題是是否有可能——即使只是理論上的可能——完美地掃瞄一個物體，準確地探明其組成成分以便我們可以完美的繪製出該物體的藍圖從而重建該物體。
在由經典物理定律掌控一切的宇宙中，我們對第二個問題可以做出肯定的回答。理論上，組成一個物體的每個粒子的所有性質——每個粒子的類型、位置、速度，等等——都可以完全確定下來，並作為重構物體的藍圖傳送到遠方。當然，完全確定組成一個物體的全部基本粒子的所有信息會難得超乎想像；但是，在經典宇宙中，唯一的障礙來自於複雜程度，而不是物理。
在一個由量子物理掌控的宇宙中——比如說我們的宇宙就是這樣，情況則不是這麼簡單。我們已經知道，所謂的測量將使一個物體種種可能的性質中的一個脫離量子迷霧，使之獲得確定的值。比如說，當我們觀測一個粒子的時候，我們所觀測到的當然是某一確定的性質，但這一性質並不能反映我們觀測之前該粒子所具有的雜燴式量子性質。1因而，一旦我們想要複製一個物體，我們就將面對量子的第二十二條軍規83。要想複製我們就必須知道要複製些什麼，要想知道複製些什麼我們就必須觀測，而觀測又會造成改變，所以我們要是按照我們所看到的進行複製的話，那複製的產物就不是觀測之前的那個物體了。這就表明在量子世界中，超距傳輸是不可能實現的，並且這種不可能並不是由技術上的複雜性造成的，而是由量子物理的先天局限性造成的。但是，我們在下一節中將會看到，20世紀90年代早期，一個國際物理學家團隊找到了一種巧妙的方法繞開了這一結論。
至於第一個問題，即原始物體與副本之間的關係，量子物理給了一個明確又鼓舞士氣的答案。根據量子力學的原理，宇宙中的所有電子都彼此類同，因為它們都具有完全一樣的質量，完全一樣的電荷，完全一樣的弱核力和強核力性質，以及完全一樣的自旋。而且，已經經受住了實驗檢驗的量子力學告訴我們：上面所列舉的這些電子性質就是電子所能具有的全部的性質。按這些性質來看，全體電子彼此類同；而且也不存在其他可以用來區分電子的性質。同樣，所有的上夸克彼此全同，所有的下夸克全同，所有的光子全同，總之，任何一種基本粒子都會彼此全同。幾十年前量子方面的先驅者就認識到，粒子可以被看做是一個場最小可能的波包（比如說光子就是電磁場最小的波包），而且，根據量子力學，一個場的這種最小組成總是全同的（或者，我們可以在弦論的理論框架下這樣理解，同一種類的粒子之所以有全同的性質是因為它們都是同一種弦的全同振動模式）。
同一種類的兩個粒子唯一有可能有所區別的地方是它們處於不同位置的概率，它們的自旋指向特定方向的概率，以及它們具有特定的速度和能量的概率。又或者按照物理學家們習慣的說法，兩個全同粒子可以處於不同的量子態。但要是同一種類的兩個粒子處於同一種量子態的話——有一種可能性不能算在內，即，一個粒子有極大的概率在這，而另一個粒子有極大的概率在那——量子力學原理就會保證它們不可區分，並且這種不可區分並不僅是實踐意義上的，更是理論意義上的。這樣的粒子可算是完美的雙胞胎。一旦兩個粒子交換彼此的位置（或者更準確地說，交換兩個粒子處於給定位置的概率），我們將沒有任何辦法發現這種交換。
因此，我們可以這樣想，開始的時候我們把一個粒子放於此處，84然後不管通過什麼辦法把另一個放在遠處的同一種類粒子置於完全相同的量子態（使之具有相同的自旋指向概率、能量概率等），這樣制備的粒子就將與原始粒子不可區分，這樣的過程就可以稱為量子超距傳輸。當然，要是原始粒子在整個過程中毫髮無損的話，你可能更願意將這個過程稱為量子克隆或量子傳真。但是我們將會看到，這些想法的科學實現將無法保護原始粒子——在超距傳輸過程中它將會不可避免的被改變——所以我們不會為到底取什麼名稱而處於兩難。
很多哲學家以不同的方式思考過的一個更為緊要的問題是，在一個粒子身上能實現的事情是不是也能在真正的宏觀物體身上實現呢？如果你可以將你的DeLorean85的每一個組成粒子都從一個地方傳輸到另一個地方，並且在這個過程中確保每個粒子的量子態以及彼此之間的相互關係100%的被複製，那你是不是就成功的傳送了一台轎車呢？儘管沒有實踐經驗可供參考，但是理論上得來的證據倒是強烈的支持已經成功傳送這樣的結論。決定一個物體看起來是什麼樣子，摸起來是什麼感覺，聽起來是什麼聲音，聞起來甚至嘗一下是什麼味道的就是物體中原子和分子排列，所以傳送過去的轎車應該就是原始的DeLorean——碰花的地方還在那裡，左邊的車門還是嘎吱嘎吱的響，你養的狗留下的尿騷味什麼的也全都有——它也能像原來的那輛一樣隨時急轉彎，油門踩起來的感覺也不會有所不同。傳送過去的車究竟是原來的那輛還是精確的副本這一問題無關緊要。如果你要求聯合量子海陸貨運公司86將你的轎車用輪船從紐約運往倫敦，但他們卻悄悄地用了超距傳輸的辦法傳送過去，那麼只憑辨認的話你永遠也不會知道他們沒按你的要求做——甚至連理論上的可能性都沒有。
但搬運公司傳送的是你的貓，或者為了滿足你那獨特的品位，你要求搬運公司對你本人來一次越洋傳送，那又會有什麼問題呢？走出接受室的貓或者人還是走進超距傳輸器的那隻貓或那個人嗎？我個人認為，是的，貓還是那隻貓，人還是那個人。再次聲明，我們沒有任何相關數據，我或者任何其他人能做的都只是猜測。但是按我的思考方式，任何一個活著的人，只要他體內的全部原子和分子與組成我身體的原子和分子處於完全一樣的量子態的話，那我就要說“他”就是我。即使“原始”的我在“拷貝”生成後仍然存在，我（我們）也會毫不猶豫的宣稱每一個都是我。我們應該有同樣的想法，都會發自肺腑的覺得彼此並不高於對方。思想、記憶、情感和看法這些東西建立在組成人體的分子與原子性質的基礎上；要是這些基本成分具有相同的量子態的話，那麼由這些基本成分構成的人也會有完全一樣的意識。時光流逝，我們各自的經歷將使我們彼此不同；但是我相信，從此以後將有兩個我，而不是一個“真一點”的原始我加上一個“假一點”的拷貝我。
事實上，我倒願意不那麼嚴格的討論一下。我們的物理組成無時無刻不在變化，只不過有的時候變得多些，有的時候變得少些，但是我們還是我們自己。哈根達斯冰淇淋會使我們血液中的脂肪和糖的含量增多；MRI（磁共振）會使大腦中一些原子核的自旋方向改變；心臟移植和抽脂術自不必說；每一百萬分之一秒，普通人身體中會有一萬億個原子煥然一新，我們處於連續不斷的變化之中，但是我們每個人的身份並沒有發生變化。所以，即使超距傳輸後的那個“我”與本來的我在物理態上並沒有完全吻合，那個“我”和本來的我仍可能是一模一樣的人。在我的書中，那個“我”完全可以成為真的我。
當然，如果你相信除了物理成分，生命還意味著很多其他的東西的存在，特別是心靈的話，那麼你的超距傳輸的成功標準可能會比我嚴格一些。人們關於這一棘手的問題——我們每個人的身份究竟在多大程度上取決於我們物理上的身體——已經以各種不同的形式爭論過多年，但還是沒有找到令所有人滿意的答案。我認為一個人的身份只取決於其物理上的身體，而另外一些人則並不認同。總之，沒有人可以宣稱已經找到了終極答案。
我們姑且先不討論你在傳輸人類這一假想問題上究竟持何種觀點。借助於量子力學的神奇力量，科學家們已經成功的證明單個粒子可以——實際上已經實現過——超距傳輸。
我們一起來看看。
量子糾纏與量子傳輸
1997年，其時還在因斯布魯克大學的安東·澤林格領導的一組物理學家和羅馬大學2的A.弗朗塞斯科·德·瑪蒂尼領導的另一組物理學家分別成功地實現了光子的超距傳輸。在這兩個實驗中，處於某一特別的量子態的初始光子被成功的傳送到了另一個位置，雖然這兩次實驗只是橫跨實驗室的短距離傳輸，但是人們有理由相信同樣的過程可以在任意距離上實現。這兩個實驗組所使用的技術基於另一組物理學家——IBM沃森研究中心的查爾斯·本耐特；蒙特利爾大學的吉爾斯·布拉薩德，克勞德·克萊玻和理查德·約茨扎；以色列物理學家艾捨爾·帕裡茨；以及威廉斯學院的威廉·伍特斯——1993年關於量子糾纏的理論探討（參見第4章）。
回想一下，兩個處於糾纏狀態的粒子——比如說兩個光子——有一種奇特又密切的關係。若每一個光子都有確定概率的自旋指向（向下或向上），並且每一個光子在被測量的時候都會在各種可能性中隨機“選擇”，那麼一旦這兩個光子中的某一個做出“選擇”，另一個就會跟著立即做出“選擇”，即便空間間隔很遠也是如此。我們曾在第4章中說明了人們無法利用糾纏粒子來實現兩個不同位置之間的信息超光速傳輸。要是我們在相隔很遠的位置上分別放置糾纏光子，然後分別連續測量這些糾纏光子，那麼我們就會發現每一台探測器所收集到的數據只是一些隨機序列（與粒子的概率波相一致的粒子自旋指向）。只有當我們對比不同的探測器上收集到的結果時，我們才會清楚地看到這些結果驚人的一致。但要實現這種對比的話，我們必須首先通過某種常規的、低於光速的通信方式交換彼此所得到的結果。既然進行結果對比之前人們無法獲知任何可以表明不同位置的光子處於量子糾纏的證據，人們實際上就沒法通過量子糾纏實現超光速通信。