前言

《量子超光速通信》

本书是关于量子超光速通信的研究专著。通过对相对论和量子理论基础的重新审查，作者深入浅出地论证了超光速通信并未被根本禁止，相反，量子非定域性的存在已经暗示了超光速通信的可实现性。作者进一步探讨了超越相对论的可能性，并从各种角度分析了超光速通信的存在性。在此基础上，作者提出了一种量子超光速通信的实现原理，并给出了相应的实现方案。此外，作者还分析了量子超光速通信存在的实验迹象。本书不仅可以作为量子理论研究者和相对论研究者的物理参考书，也可以作为普通物理爱好者的高级科普读物。本书献给所有对自然科学基本问题感兴趣的读者。

前言

公元2071年4月8日，飞船庄子号到达了距离地球最近的恒星星。兴奋的船员们想把这一好消息立即告诉地球指挥中心，睿琦船长按下了标有QSC[1]的通信按钮，她激动地说道，“指挥中心，指挥中心，我们已经安全抵达星！。。。”尽管星距离地球4光年左右，但是这一消息却通过QSC通道立即传回了地球，几乎没有任何延时。指挥中心响起了雷鸣般的掌声，“祝贺你们！。。。”。

这是科学幻想吗？星距离地球约4光年，这意味着什么呢？它意味着即使是跑得最快的光也需要4年左右的时间才能到达地球，而基于光信号的信息传输无疑也需要这么长的时间。这样，利用目前的无线通信地球指挥中心要等到4年后才能收到飞船传回的好消息，而睿琦船长和船员们还要再等上4年才能收到来自指挥中心的祝贺和进一步指示。

仰望茫茫星宇，她创造了人类，她会让人类旅行者孤独吗？如果我们生活在太空时代，我们会很自然地相信超光速通信的存在，并且会非常急切地期待它的实现。的确，与光速的有限数值相比，宇宙的尺寸之大似乎已暗示，必然存在一种超光速的通信方式，使相隔任意遥远的通信者之间仍可以进行实时的信息交流，否则，宇宙将会让它的旅行者永远地处于孤独的境地。人类不愿孤独，他们渴望进行交流。正是这种彼此间的交流产生了人类社会，并促进了人类通信方式的不断改进。

最早的通信是通过声音传播完成的，语言信息通过声波传递。至今，其他动物还在利用这种最古老的通信方式。我们知道，声波在空气中的传播速度约为340米/秒，幸运的是，这一速度对于近距离的语言交流足够了。试想一下，如果人类生存的星球上声音的传播媒介－空气非常稀薄，那么声音的传播速度将非常慢，譬如说只有1毫米/秒。这样，人类间的正常语言交流将变得极其困难，例如，相隔1米的两个人若进行语言交流，那么每个人都至少需要半小时才能听到对方的回答。尽管声速通信对于人类近距离的语言交流已经足够了，但是对于远距离的信息交流它便无能为力了。当16世纪哥伦布和麦哲伦完成环球航行后，人类的通信范围便扩大到了整个地球，而即使声音可以在这么大的距离上传播，它的传播延时也将无法满足人们之间正常的信息交流。例如，声波绕地球传播一周约需要3小时16分。

那么，有比声音更快的通信方式吗？在夏季的雷雨天，你总是先看到闪电，再听到雷声，这说明光的传播比声音要快的多。实际上，人类在远古时代就早已无意识地利用了光通信方式，例如，人们之间用手势进行交流。然而，只有真正了解了光之后，人们才可能有意识地利用它来进行通信。19世纪中叶，在法拉第实验工作的基础上，麦克斯韦终于建立了一套系统的光的理论－电磁场理论。之后，赫兹又从实验上验证了这个理论的一个重要预言：光是一种电磁波。当人们掌握了光的传播规律之后，他们便很自然地想利用光的传播来进行通信。1876年，贝尔发明了电话，开创了有线（光速）通信时代。1895年，马可尼和波波夫独立发明了无线电通信，标志着无线（光速）通信时代的来临。今天，几乎每个人都使用过电话或手机进行通信，人类正在享受着光速通信所带来的美好生活。

日常经验告诉我们，光的传播似乎是瞬时的，我们并未感觉到打电话时存在声音的延时。那么，光的传播究竟有多快呢？它的速度大约为30万公里/秒，这是一个巨大的天文数字。的确，与地球的尺寸相比，光速的数值已经足够大了。因此，人们在地球上可以方便地利用光速通信进行信息交流，而不会明显感觉到光速所带来的有限时延。例如，对于从地球一侧到另一侧的长途电话，由光速所引入的时延一般只为0.1秒级。

然而，人类不能永远生活在地球这个摇篮中。一旦人们离开地球去探索广遨的宇宙空间，光速通信的局限性便立刻显露出来。例如，如果人类定居在一个比地球半径大100倍的星球上，那么现有光速通信的最大线路时延将会达到10秒左右，这意味着通信者必须耐心等待20秒后才能听到对方的回话。又如，如果人类的宇宙飞船到达距地球10光年的其他星球，它与地球之间的无线（光速）通信便存在20年之久的时延，此时通信已基本上失去意义。

那么，是否存在比光更快的通信方式呢？如果存在，又如何去寻找这种超光速通信呢？尽管目前的科学（主要指相对论和量子理论）还不能提供一种方法来实现超光速通信，然而它已给出了一些可能的暗示和指引。无疑，为了找到超光速通信的实现方法，我们必须超越目前的科学。这是一次真正的科学探险！至今还没有人到达超光速通信的领地，人们甚至还不清楚这一领地是否存在，以及在哪里存在。

根据相对论，比光更快的（连续的）物质运动和信息传输都将被禁止。这对超光速通信的实现方式给出了严格的限制。如果超光速通信存在，它应当基于非连续过程。量子理论正是一个关于非连续运动的理论，其中波函数的坍缩过程是本质上非连续的。由于非连续过程自然地包含了一种不需通过空间连续传播的超光速影响，它似乎应当允许超光速通信的存在。那么量子理论能否提供一种超光速通信的实现方法呢？可惜的是，尽管量子理论允许某种基于波函数坍缩过程的超光速影响的存在，它却不能提供一种方法让我们实现超光速通信。形象地说，微观粒子之间的确“进行着超光速通信”，但是理论却禁止我们获得这些被超光速传递的量子信息。当我们试图接近时，波函数坍缩所引入的量子随机性出人意料地破坏了这些信息。

那么，如何获得微观粒子之间超光速传递的量子信息呢？一种可能的方法是在波函数坍缩之前识别出这些量子信息。进一步的启示来自于下述猜测：如果观察者的意识系统也可以处于量子态，那么他便可以意识到波函数坍缩过程中自己感知状态的变化，从而可以如微观粒子那样识别出超光速传递的信息而进行超光速通信。更深入的分析显示，这一猜测的确提供了一种实现超光速通信的方法。在本书中我们将论证，开启超光速通信大门的两把钥匙正是非连续过程和意识。非连续过程用于超光速地发送信息，而意识则用于识别被发送的信息。在此基础上，我们将给出量子超光速通信的实现原理和实现方案，并论证一些现象和实验已经初步显示了量子超光速通信的存在。

今天，连续运动的观念已经如此牢固地根植于每个人的思想中，不论他是严谨的科学研究者，还是普通的科学大众。因此，一提及通信人们就会自然地认为，信息的传输必定需要某种载体（如光波）在通信双方之间连续运动才能完成。现在，为了理解量子超光速通信，必须抛弃这个基于连续观念的先入之见；而一旦我们理解并接纳了非连续性，量子超光速通信的实现将变得十分自然，它只需意识参与即可。

本书的内容安排如下。第一章介绍了经典理论对超光速通信的看法，并给出了相对论禁令的一个新证明；第二章介绍了量子运动及其演化规律，指出了运动的真实形式是非连续的量子运动；第三章分析了量子运动的超光速表现。我们论证了，尽管量子运动允许某种超光速过程的存在，目前的量子理论却不允许超光速通信的实现；第四章详细讨论了超越相对论的可能性。我们着重分析了相对论的两个基本假设---相对性原理和光速不变假设，并讨论了单向光速的可测性问题。在此基础上，我们给出了绝对参照系存在的量子证明，并提出了相应的超光速时空变换，以及检测绝对参照系的量子方法。我们指出，绝对参照系的存在将从根本上解除相对论禁令，从而允许超光速通信的存在；第五章探讨了超光速通信存在的可能性，并从各个角度论证了它存在的合理性和必然性。这些论证为寻找超光速通信的实现方式提供了有益的启示；第六章对已有的超光速通信方案进行了简要介绍，并给出了相应的分析和评论；在第七章中，我们提出了一种基于波函数坍缩和意识功能的量子超光速通信原理，并对这一原理中的超光速通信条件进行了深入分析。在此基础上，我们深入分析了量子、意识与超光速通信之间的必然联系，并提出了实现超光速通信的普遍原理；第八章给出了基于上述原理的量子超光速通信实现方案。我们提出了相关的实验建议，并对量子超光速通信的技术优越性和应用前景进行了评论和展望；第九章分析了超光速通信存在的可能迹象。我们论证了，一些量子意识现象和实验已经初步显示了超光速通信的存在；最后的附录介绍了作者发现量子超光速通信的曲折历程。

在本书完成过程中，作者得益于与下述研究者的讨论而使本书的思想愈加清晰和严谨，在此深表感谢，他们是：G.Amelino-Camelia（University of Roma），J.D.Bekenstein（Hebrew University of Jerusalem），Gary S.Bekkum，M.Czachor （Politechnika Gdańska），B.J.Dunne（Princeton University），黄志洵（北京广播学院），耿天明（首都师范大学），R.Penrose ( University of Cambridge )，Dean I.Radin（Institute of Noetic Sciences），J.Sarfatti，Y.H.Shih ( University of Maryland )，John A.Smolin ( IBM )，G.Svetlichny ( Pontificia Universidade )，A.Suarez ( Center for Quantum Philosophy )，Fred H.Thaheld，吴令安 ( 中科院物理所 )，郁司夏 ( 中国科技大学 )，张操（University of Alabama），张元仲 ( 中科院理论物理所 )，A.Zeilinger ( University of Vienna )等。同时，作者要感谢他的父母多年来对他的悉心抚育和谆谆教诲，并深深感谢他的妻子在本书完成过程中对作者无微不至的关怀和支持。最后作者对出版社的大力帮助表示诚挚的谢意。