我能想到最浪漫的事，就是讓科幻照進現實_風聞

【作者：袁嵐峯】

2018年9月20日，中國科技大學紀念了60年校慶。全球各地紛紛發來的賀電當中，其中有一份特別的祝福，來自於科大84級校友、佛羅里達州立大學天文學教授葛健，他把最近的一項發現獻禮於科大校慶——那就是發現了“瓦肯星”。你沒聽錯，就是星際迷航中的“瓦肯星”，葛健團隊的職責是在太陽系附近尋找“類地”行星，即適合人類生存的行星。而他們找到的第一顆行星，竟然就是星際迷航中所預言的位置……

總之小勺子只想説，科學帶來的浪漫，真的宇宙級的……

最近，2018年9月20日，中國科學技術大學紀念了60週年校慶。科大的歷史，我在今年元旦第一期的科技袁人節目（https://www.bilibili.com/video/av17859139）中就介紹過，基本脈絡是這樣的：為了培養兩彈一星項目急需的科技人才，科大1958年在北京成立。華羅庚、嚴濟慈、錢學森、郭永懷、趙忠堯、趙九章、貝時璋等中國頂級科學家，擔任各個院系的系主任，親自給學生們授課。1970年，因為備戰搬遷到合肥。恢復高考後，科大因為對教育和科研的尊重和堅持，再次獲得了大發展。

科大首任校長郭沫若題詞：勤奮學習，紅專並進

科大不僅培養出了很多優秀的學生，在各行各業和其他研究機構大放光彩，而且科大自身也成為了一個一流的研究機構，不斷取得重大的科技成果，贏得了廣泛的國際讚譽。科大的奮鬥歷程，就是“科教報國、追求卓越”精神最好的寫照！

在科大60週年校慶之際，包括若干位諾貝爾獎得主在內的許多科學家以及國內外許多兄弟院校、科研單位、政企機構紛紛發來祝賀，著名的頂級科學期刊《自然》（Nature）專門為科大校慶做了一期特刊（https://www.nature.com/collections/rmxtnnqvtb）。我們也非常感謝諸位的深情厚誼。

今天我要向大家介紹一個特別的祝賀，來自我的科大1984級近代物理系師兄、美國佛羅里達大學天文學教授葛健。葛健教授最近宣佈了一項非常有趣的發現，並且把它作為對科大校慶的獻禮。這項發現是什麼呢？

他們找到了著名的科幻作品《星際迷航》（Star Trek）中的“瓦肯星”（Vulcan）！對，就是《星際迷航》的靈魂人物之一，長着一對尖耳朵、絕對理性的“企業號”科學官和大副斯波克（Spock）的母星！瓦肯人這個中指和無名指分開的問候手勢，你肯定也知道吧？

斯波克（Leonard Nimoy飾演）

《星際迷航》的原作者吉恩·羅登貝瑞（Gene Roddenberry，1921-1991），在二十世紀六十年代推出了這部作品，後來成為了全世界最著名的科幻系列之一，直到現在都在不斷翻拍。1991年，羅登貝瑞和三位天文學家一起向《天空與望遠鏡》（Sky and Telescope）雜誌寫了一封信，把一顆恆星指定為瓦肯星的主星。這顆恆星位於波江座（Eridanus）星系，叫做波江座****40A（40 Eridani A），離地球16光年。

吉恩·羅登貝瑞

現在的新發現是什麼呢？葛健領導了一個望遠鏡巡天計劃，這個項目的目的就是尋找太陽系附近恆星周圍的小質量行星，包括適合人類居住的類地行星。由於原理和技術上的進步，他們能夠以更高的頻度和精度找到這些行星。然後，他們找到的第一顆行星，就位於波江座40A周圍！這可不是有意為之啊，純粹是巧合！

更令人吃驚的是，這顆行星的大小、質量和距離都和幾十年前的想象幾乎一模一樣。這顆行星具有一種很特殊的自然環境（我們在後面詳細解釋），可能存在適合居住的地方。因此，這顆行星就像地球一樣，是有可能支撐生命的。

既然有這麼多相似之處，我們怎麼可能不把它跟瓦肯星聯繫起來呢？這可是《星際迷航》作者欽定的哦！就像《一代宗師》裏的名言：念念不忘，必有迴響！

按照國際天文學聯合會的命名規則，波江座40A應該叫做HD 26965，而這顆行星應該叫做HD 26965 b。在葛健教授和他的博士後馬波等人發表的論文中（“The first super-Earth detection fromthe high cadence and high radial velocity precision Dharma Planet Survey”,《皇家天文學會月報》，Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，2018年10月21日，第480卷，第2411-2422頁，https://academic.oup.com/mnras/article-abstract/480/2/2411/5056228），他們就是這麼稱呼的。不過，葛健計劃聯繫國際天文學聯合會，申請把這顆行星命名為瓦肯星。是啊，有何不可呢？

葛健在西班牙GTC天文台（世界最大光學望遠鏡）1

葛健在西班牙GTC天文台（世界最大光學望遠鏡）2

正如葛健對媒體所言：“我們不應該為人類的想象力擔憂。有時候，想象會變成現實。”（We should not worry about human imagination. Sometimes imagination becomes reality.）

更具體地説，瓦肯星與它的太陽波江座40A的距離，大約是地球和太陽之間距離的五分之一，也就是0.2個天文單位。天文單位就是太陽與地球之間的距離，約為1.5億公里。

瓦肯星離它的太陽近，導致它被太陽的潮汐力鎖定，使得它的一面永遠對着太陽，而另一面永遠背對太陽。我們的月亮就是如此，永遠只有一面對着地球，這就是被地球的潮汐力鎖定的結果。這樣想來，如果存在瓦肯人的話，他們在有些地方永遠是白天，在有些地方永遠是黑夜，這樣的生活真是挺特別的！

潮汐鎖定

由於離恆星近，瓦肯星的大氣會逐漸被恆星風吹走，這是對生命不利的。然而，瓦肯星的質量是地球質量的8.47± 0.47倍，地表引力比地球大。因此，瓦肯星的大氣很可能會被行星的引力給吸引住一部分，而不是完全被恆星風吹散。

在這些特殊條件的組合下，瓦肯星可能一面是陽光普照，炎熱而乾燥，而另一面是黑暗、陰冷而多雨。因此，星球兩面的大氣會不斷地對流，讓大氣的温度達到一種細緻平衡，使得星球上可能有部分區域適合居住。現在，你明白我們前面説的，“這顆行星具有一種很特殊的自然環境”，是什麼意思了吧？

當然整體而言，瓦肯星的環境是比較惡劣的。正如《星際迷航》的描寫，瓦肯星環境炎熱，乾燥，重力比地球更大些，空氣比地球更稀薄些。人在這顆星球上行走，很容易感到疲勞。也許惡劣的環境，幫助造就了瓦肯星人的冷靜、理性和強悍。

順便介紹一下，葛健等人的望遠鏡巡天計劃叫做“達摩地外行星巡天”（Dharma Planet Survey）。沒錯，這裏的達摩就是達摩老祖那個達摩！這個名字是捐助人米奇·辛格（Mickey Singer）起的，他是一位猶太裔美國人，熱衷於冥想。好吧，對於科大校慶，禪宗祖庭少林寺也發來賀電！再考慮到達摩地外行星巡天的英文簡稱叫做DPS，大菠蘿、魔獸、DOTA等經典遊戲也發來賀電！

少林寺的DPS

達摩地外行星巡天的原理是這樣的：如果一顆恆星擁有行星，那麼不但是行星在運動，而且恆星也在運動。實際上，恆星和行星都在圍繞着整個系統的質心運動，只是這個質心非常接近恆星，所以行星運動的半徑大，恆星運動的半徑小而已。恆星的運動會使恆星發出的光的頻率發生變化，這叫做多普勒效應，頻率減小叫做紅移，頻率增大叫做藍移。

火車站台上的汽笛聲，就是多普勒效應的經典例子：當火車向着你來的時候，汽笛聲頻率升高，聽起來變得尖鋭；當火車離你遠去的時候，汽笛聲頻率降低，聽起來變得低沉。同樣的道理，當恆星向着地球運動的時候，恆星的光發生藍移。而當恆星離地球遠去的時候，恆星的光發生紅移。因此，如果你發現一顆恆星的光發生週期性的紅移和藍移，就説明在它周圍有一顆行星。

達摩地外行星巡天原理

關於瓦肯星所在的恆星，還有一件重要的事，全世界的科幻愛好者聽到了都會倒吸一口氣：HD26965又叫做波江座40A，為什麼帶個A？因為還有波江座40B和波江座40C，這是一個三星系統！

《三體》第一部英文版封面

我已經可以想到你們的反應了：不要回答！不要回答！不要回答！

鎮定。這個三星系統並不是新的發現，而是早在1783年就觀測到了。

波江座40A是一顆跟太陽類似的主序星，質量是太陽的0.78 ± 0.08倍，半徑是太陽的0.87± 0.17倍。年齡也跟太陽相近，大約是56億年。它還有一個10.1年的磁週期，這也跟太陽11.6年的太陽黑子週期相近。它的亮度大約是太陽的40%，顏色是橘黃色。跟太陽不同的是，它還有兩顆伴星：波江座40B是一顆白矮星，波江座40C是一顆紅矮星。可想而知，在瓦肯星的天空中，這兩顆伴星會明亮地閃爍。

我知道，你最關心的問題是：三顆恆星會不會導致瓦肯星的軌跡陷入混沌，在亂紀元和恆紀元之間顛沛流離，成為真實的三體星？令人感到失望的是，葛健師兄告訴我：瓦肯星只是在圍繞着波江座40A運動，而另外兩顆恆星離它有400個天文單位的距離，太遠了，所以基本沒有影響。當然了，這個消息是“令人感到失望的”，還是“令人感到萬幸的”，就看你怎麼理解了~

但是，這還沒完呢，還有一個有趣的問題。波江座40B現在是白矮星，這種形態是從主序星演化過來的。在它當年變成巨星的時候，會發生新星爆炸（nova），這對波江座40A應該有很大的影響，瓦肯星上會看到明亮之極以至於致命的閃光。那麼問題來了：如果瓦肯星上有智慧生命，他們能不能逃過這一劫呢？

1901年的英仙座新星爆炸

葛健的回答是：如果在瓦肯星上真的存在斯波克，而他看到了新星爆炸，那他確實就死定了。不過，斯波克既然是個聰明理性的人，他就一定會將瓦肯星的人民轉移到看不到新星爆炸的那一面，躲避這場災難。我們前面説了，瓦肯星有一面永遠對着它的太陽，而另一面永遠看不到太陽。向着太陽的那一面太熱，瓦肯人平時大概是在背面生活的，就像《星際迷航》設想的那樣住在山洞裏。但如果新星爆炸發生在背面的方向，那麼斯波克等人就會暫時躲避到正面去，樹挪死人挪活嘛。

好，大家看到了吧，理性是怎麼用的！那些在我講解了這麼多次以後，還被理性的藍眼睛島民繞得暈頭轉向的同學們，好好學着點！（參見《從藍眼睛問題，看羣眾理解能力的巨大差異》，從藍眼睛問題，看羣眾理解能力的巨大差異 | 袁嵐峯）

藍眼人

在葛健教授的指導下，一位畫家Don Davis為瓦肯星的天空畫了一幅藝術想象圖。圖中的大球是瓦肯星，右上角明亮的大星是瓦肯星的太陽，即橘黃色的波江座40A。上方的一白一紅兩顆小星，分別是波江座40B這顆白矮星和波江座40C這顆紅矮星。

瓦肯星想象圖，作者：Don Davis

你也許會問：兩顆小星的光芒不會被主星淹沒嗎？回答是：這不是瓦肯星地面上看到的景象，而是瓦肯星大氣層外的景象，好比地球上空衞星或飛船看到的景象。在真空中，光不會散射，所以主星的光芒不會掩蓋另外兩顆星的光芒。

葛健教授甚至還想到了：瓦肯星因為質量大，估計有不少火山活動。它的中心很可能是液態的鐵，因此會有磁場，會和太陽作用產生極光。這樣想來，瓦肯星的天空是非常美麗的。

最後我們需要指出一點，在已知的擁有地外行星的類太陽恆星中，波江座40A是最近的，也是第二明亮的。在天文學中，16光年是一個很近的距離，近到你不需要望遠鏡就能看見它。在任何一個晴朗的夜晚，你都可以遠眺斯波克的故鄉。這是多麼動人的故事啊！

以上就是葛健教授獻給科大校慶的禮物，他祝科大永遠在敢為天下先的道路上不斷前進。葛健師兄感謝當年科大的老師和同學們，他們那股科大特色的牛氣終身給他鼓勵！

這項發現在媒體上引起了很大的反響，《星際迷航》的團隊專門召開記者招待會發布了這條新聞。事實上，《星際迷航》和科大的關係還不止這一條。

《星際迷航》中一個最核心的技術是傳送術（beaming），就是biu的一聲把人從這裏傳到那裏。《星際迷航》一句最著名的台詞是“beamme up”，就是“把我傳上去”！在每一部電影中，都必然要依靠這一招來解決困難，屬於壓箱底的錦囊妙計。

《星際迷航》中的傳送術

傳送術是一個什麼性質的技術呢？很容易以為，傳送術跟曲率推進一樣，都屬於純粹的科幻，沒有科學原理。非也！曲率推進現在還是純粹的科幻，但傳送術已經不是了！傳送術是有科學原理的，這個原理叫做“量子隱形傳態”（quantum teleportation）！

我寫過一篇4萬字的科普文章，叫做《你完全可以理解量子信息》。量子信息是當今一個熱門的學科，量子隱形傳態是量子信息中的一種技術。如果你看了我的文章，你就可以對量子隱形傳態獲得比較深入的瞭解。在這裏，由於篇幅所限，我們只能介紹一些基本點。提示大家，《你完全可以理解量子信息》可以在我的微信公眾號“風雲之聲”看到，進去點一級菜單“科技”，然後選擇二級菜單“量子科普”就是~

風雲之聲的頁面菜單

量子隱形傳態實際做到的是什麼？是以不高於光速的速度、破壞性地把一個體系的未知狀態傳輸給另一個體系。打個比方，用顏色表示狀態，A粒子最初是紅色的，通過量子隱形傳態，我們讓遠處的B粒子變成了紅色，而A粒子同時變成了綠色。但是我們完全不需要知道A最初是什麼顏色，無論A是什麼顏色，這套方法都可以保證B變成A最初的顏色，同時A的顏色改變。

量子隱形傳態

量子隱形傳態的理論方案，是在1993年設計出來的。因此，在《星際迷航》剛開始拍的六十年代，傳送術還是純粹的科幻，但在1993年之後就不是了。

量子隱形傳態第一次實驗實現，是在什麼時候呢？是1997年，即理論方案提出來4年之後。從這時開始，量子隱形傳態就跟科大有了密切的關係。

1997年，潘建偉在奧地利因斯布魯克大學的塞林格（Anton Zeilinger）教授門下讀博士，他們在《自然》雜誌上發表了一篇題為《實驗量子隱形傳態》（“Experimental quantum teleportation”）的文章，潘建偉是第二作者。這篇文章後來入選了《自然》的“百年物理學21篇經典論文”，跟它並列的論文包括倫琴發現X射線、愛因斯坦建立相對論、沃森和克里克發現DNA雙螺旋結構等等。

奧地利科學院院長安東·塞林格教授

18年後的2015年，這時潘建偉是科大教授、中國科學院院士，他和陸朝陽等人在《自然》上發表了《單個光子的多個自由度的量子隱形傳態》（“Quantum teleportation of multiple degrees of freedom of a single photon”），被英國物理學會評為2015年世界十大物理學突破之首。新的成果是什麼呢？跟以前對照一下，你就能看出來，新的成果是“多個自由度”。

媒體報道我國首次實現多自由度量子隱形傳態

同學們可能要問了，自由度是什麼？自由度就是描述一個體系所需的變量的數目。簡而言之，就是有多少個性質。實際上，潘建偉等人的突破，就是從只能傳一個性質進步到了可以傳兩個性質。打個比方，現在用顏色和形狀來表示狀態，A粒子最初是一個紅色的球，我們可以讓B粒子變成紅色的球，同時A粒子變成綠色的方塊。

潘建偉在調試設備（資料圖片）新華社記者 張端/攝

《道德經》説：“道生一，一生二，二生三，三生萬物。”我們可以説量子隱形傳態1997年實現了道生一，那時潘建偉還是博士生。2015年實現了一生二，這時他已經是量子信息研究的國際領導者。從傳輸一個自由度到傳輸兩個自由度，走了18年之久。這中間有無數的奇思妙想、艱苦奮鬥，是人類智慧與精神的偉大結晶。

好，下面一個顯而易見的問題是：**電影裏的傳送人，離我們還有多遠呢？**我們可以來估算一下。

12克碳原子是1摩爾，即6.023 × 1023個。人的體重如果是60公斤，就大約有5000摩爾的原子，3 × 1027個。描述一個原子的狀態，要多少個自由度？姑且算作10個吧。那麼要描述一個人，就需要1028量級的自由度。

我們現在是什麼狀態呢？我們剛剛從1進步到了2……所以，嗯，我們的征途是星辰大海！向着夕陽奔跑吧，少年！

向着夕陽奔跑吧，少年！

今天講的這兩個故事，都令人想起《星際迷航》每部電影結尾都會出現的那句經典台詞：“勇敢地奔向前人未至的領域。”（Boldly go where no one has gone before.）這正是科大的精神，科學的精神！