科大60周年校庆，星际迷航发来贺电 | 袁岚峰
作为对科大校庆的献礼，葛健宣布找到了《星际迷航》中的瓦肯星。对，就是斯波克的母星！
《星际迷航》中的传送术，对应的科学原理叫做量子隐形传态。量子隐形传态的实验工作，跟潘建伟有密切的关系。
勇敢地奔向前人未至的领域，这正是科大的精神，科学的精神！
最近，2018年9月20日，中国科学技术大学纪念了60周年校庆。科大的历史，我在今年元旦第一期的科技袁人节目（https://www.bilibili.com/video/av17859139）中就介绍过，基本脉络是这样的：为了培养两弹一星项目急需的科技人才，科大1958年在北京成立。华罗庚、严济慈、钱学森、郭永怀、赵忠尧、赵九章、贝时璋等中国顶级科学家，担任各个院系的系主任，亲自给学生们授课。1970年，因为备战搬迁到合肥。恢复高考后，科大因为对教育和科研的尊重和坚持，再次获得了大发展。
科大首任校长郭沫若题词：勤奋学习，红专并进
科大不仅培养出了很多优秀的学生，在各行各业和其他研究机构大放光彩，而且科大自身也成为了一个一流的研究机构，不断取得重大的科技成果，赢得了广泛的国际赞誉。科大的奋斗历程，就是“科教报国、追求卓越”精神最好的写照！
在科大60周年校庆之际，包括若干位诺贝尔奖得主在内的许多科学家以及国内外许多兄弟院校、科研单位、政企机构纷纷发来祝贺，著名的顶级科学期刊《自然》（Nature）专门为科大校庆做了一期特刊（https://www.nature.com/collections/rmxtnnqvtb）。我们也非常感谢诸位的深情厚谊。
今天我要向大家介绍一个特别的祝贺，来自我的科大1984级近代物理系师兄、美国佛罗里达大学天文学教授葛健。葛健教授最近宣布了一项非常有趣的发现，并且把它作为对科大校庆的献礼。这项发现是什么呢？
他们找到了著名的科幻作品《星际迷航》（StarTrek）中的“瓦肯星”（Vulcan）！对，就是《星际迷航》的灵魂人物之一，长着一对尖耳朵、绝对理性的“企业号”科学官和大副斯波克（Spock）的母星！瓦肯人这个中指和无名指分开的问候手势，你肯定也知道吧？
斯波克（Leonard Nimoy饰演）
当然，这不是说他们找到了真实的瓦肯人。我们需要强调一下，人类还没有找到地外生命呢，更不用说地外智慧生命了。葛健教授说的是，他们找到了一颗行星，这颗行星刚好位于《星际迷航》预言的区域，而且看起来这颗行星也适合生命生存，不排除进化出智慧生命的可能性。让我们来详细解释一下，这些话是什么意思。
《星际迷航》的原作者吉恩·罗登贝瑞（GeneRoddenberry，1921-1991），在二十世纪六十年代推出了这部作品，后来成为了全世界最著名的科幻系列之一，直到现在都在不断翻拍。1991年，罗登贝瑞和三位天文学家一起向《天空与望远镜》（Sky and Telescope）杂志写了一封信，把一颗恒星指定为瓦肯星的主星。这颗恒星位于波江座（Eridanus）星系，叫做波江座40A（40 Eridani A），离地球16光年。
吉恩·罗登贝瑞
现在的新发现是什么呢？葛健领导了一个望远镜巡天计划，这个项目的目的就是寻找太阳系附近恒星周围的小质量行星，包括适合人类居住的类地行星。由于原理和技术上的进步，他们能够以更高的频度和精度找到这些行星。然后，他们找到的第一颗行星，就位于波江座40A周围！这可不是有意为之啊，纯粹是巧合！
更令人吃惊的是，这颗行星的大小、质量和距离都和几十年前的想象几乎一模一样。这颗行星具有一种很特殊的自然环境（我们在后面详细解释），可能存在适合居住的地方。因此，这颗行星就像地球一样，是有可能支撑生命的。
既然有这么多相似之处，我们怎么可能不把它跟瓦肯星联系起来呢？这可是《星际迷航》作者钦定的哦！就像《一代宗师》里的名言：念念不忘，必有回响！
按照国际天文学联合会的命名规则，波江座40A应该叫做HD 26965，而这颗行星应该叫做HD 26965 b。在葛健教授和他的博士后马波等人发表的论文中（“The first super-Earth detection fromthe high cadence and high radial velocity precision Dharma Planet Survey”,《皇家天文学会月报》，Monthly Notices of theRoyal Astronomical Society，2018年10月21日，第480卷，第2411-2422页，https://academic.oup.com/mnras/article-abstract/480/2/2411/5056228），他们就是这么称呼的。不过，葛健计划联系国际天文学联合会，申请把这颗行星命名为瓦肯星。是啊，有何不可呢？
葛健在西班牙GTC天文台（世界最大光学望远镜）1
葛健在西班牙GTC天文台（世界最大光学望远镜）2
正如葛健对媒体所言：“我们不应该为人类的想象力担忧。有时候，想象会变成现实。”（Weshould not worry about human imagination. Sometimes imagination becomesreality.）
更具体地说，瓦肯星与它的太阳波江座40A的距离，大约是地球和太阳之间距离的五分之一，也就是0.2个天文单位。天文单位就是太阳与地球之间的距离，约为1.5亿公里。
瓦肯星离它的太阳近，导致它被太阳的潮汐力锁定，使得它的一面永远对着太阳，而另一面永远背对太阳。我们的月亮就是如此，永远只有一面对着地球，这就是被地球的潮汐力锁定的结果。这样想来，如果存在瓦肯人的话，他们在有些地方永远是白天，在有些地方永远是黑夜，这样的生活真是挺特别的！
潮汐锁定
由于离恒星近，瓦肯星的大气会逐渐被恒星风吹走，这是对生命不利的。然而，瓦肯星的质量是地球质量的8.47± 0.47倍，地表引力比地球大。因此，瓦肯星的大气很可能会被行星的引力给吸引住一部分，而不是完全被恒星风吹散。
在这些特殊条件的组合下，瓦肯星可能一面是阳光普照，炎热而干燥，而另一面是黑暗、阴冷而多雨。因此，星球两面的大气会不断地对流，让大气的温度达到一种细致平衡，使得星球上可能有部分区域适合居住。现在，你明白我们前面说的，“这颗行星具有一种很特殊的自然环境”，是什么意思了吧？
当然整体而言，瓦肯星的环境是比较恶劣的。正如《星际迷航》的描写，瓦肯星环境炎热，干燥，重力比地球更大些，空气比地球更稀薄些。人在这颗星球上行走，很容易感到疲劳。也许恶劣的环境，帮助造就了瓦肯星人的冷静、理性和强悍。
顺便介绍一下，葛健等人的望远镜巡天计划叫做“达摩地外行星巡天”（DharmaPlanet Survey）。没错，这里的达摩就是达摩老祖那个达摩！这个名字是捐助人米奇·辛格（MickeySinger）起的，他是一位犹太裔美国人，热衷于冥想。好吧，对于科大校庆，禅宗祖庭少林寺也发来贺电！再考虑到达摩地外行星巡天的英文简称叫做DPS，大菠萝、魔兽、DOTA等经典游戏也发来贺电！
少林寺的DPS
达摩地外行星巡天的原理是这样的：如果一颗恒星拥有行星，那么不但是行星在运动，而且恒星也在运动。实际上，恒星和行星都在围绕着整个系统的质心运动，只是这个质心非常接近恒星，所以行星运动的半径大，恒星运动的半径小而已。恒星的运动会使恒星发出的光的频率发生变化，这叫做多普勒效应，频率减小叫做红移，频率增大叫做蓝移。
火车站台上的汽笛声，就是多普勒效应的经典例子：当火车向着你来的时候，汽笛声频率升高，听起来变得尖锐；当火车离你远去的时候，汽笛声频率降低，听起来变得低沉。同样的道理，当恒星向着地球运动的时候，恒星的光发生蓝移。而当恒星离地球远去的时候，恒星的光发生红移。因此，如果你发现一颗恒星的光发生周期性的红移和蓝移，就说明在它周围有一颗行星。
达摩地外行星巡天原理
关于瓦肯星所在的恒星，还有一件重要的事，全世界的科幻爱好者听到了都会倒吸一口气：HD26965又叫做波江座40A，为什么带个A？因为还有波江座40B和波江座40C，这是一个三星系统！
《三体》第一部英文版封面
我已经可以想到你们的反应了：不要回答！不要回答！不要回答！
镇定。这个三星系统并不是新的发现，而是早在1783年就观测到了。
波江座40A是一颗跟太阳类似的主序星，质量是太阳的0.78 ± 0.08倍，半径是太阳的0.87± 0.17倍。年龄也跟太阳相近，大约是56亿年。它还有一个10.1年的磁周期，这也跟太阳11.6年的太阳黑子周期相近。它的亮度大约是太阳的40%，颜色是橘黄色。跟太阳不同的是，它还有两颗伴星：波江座40B是一颗白矮星，波江座40C是一颗红矮星。可想而知，在瓦肯星的天空中，这两颗伴星会明亮地闪烁。
我知道，你最关心的问题是：三颗恒星会不会导致瓦肯星的轨迹陷入混沌，在乱纪元和恒纪元之间颠沛流离，成为真实的三体星？令人感到失望的是，葛健师兄告诉我：瓦肯星只是在围绕着波江座40A运动，而另外两颗恒星离它有400个天文单位的距离，太远了，所以基本没有影响。当然了，这个消息是“令人感到失望的”，还是“令人感到万幸的”，就看你怎么理解了~
但是，这还没完呢，还有一个有趣的问题。波江座40B现在是白矮星，这种形态是从主序星演化过来的。在它当年变成巨星的时候，会发生新星爆炸（nova），这对波江座40A应该有很大的影响，瓦肯星上会看到明亮之极以至于致命的闪光。那么问题来了：如果瓦肯星上有智慧生命，他们能不能逃过这一劫呢？
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，那他确实就死定了。不过，斯波克既然是个聪明理性的人，他就一定会将瓦肯星的人民转移到看不到新星爆炸的那一面，躲避这场灾难。我们前面说了，瓦肯星有一面永远对着它的太阳，而另一面永远看不到太阳。向着太阳的那一面太热，瓦肯人平时大概是在背面生活的，就像《星际迷航》设想的那样住在山洞里。但如果新星爆炸发生在背面的方向，那么斯波克等人就会暂时躲避到正面去，树挪死人挪活嘛。
好，大家看到了吧，理性是怎么用的！那些在我讲解了这么多次以后，还被理性的蓝眼睛岛民绕得晕头转向的同学们，好好学着点！（参见《从蓝眼睛问题，看群众理解能力的巨大差异》，https://mp.weixin.qq.com/s/9TJ2t4cxaclwwwxHNCA99g）
蓝眼人
在葛健教授的指导下，一位画家DonDavis为瓦肯星的天空画了一幅艺术想象图。图中的大球是瓦肯星，右上角明亮的大星是瓦肯星的太阳，即橘黄色的波江座40A。上方的一白一红两颗小星，分别是波江座40B这颗白矮星和波江座40C这颗红矮星。
瓦肯星想象图，作者：Don Davis
你也许会问：两颗小星的光芒不会被主星淹没吗？回答是：这不是瓦肯星地面上看到的景象，而是瓦肯星大气层外的景象，好比地球上空卫星或飞船看到的景象。在真空中，光不会散射，所以主星的光芒不会掩盖另外两颗星的光芒。
葛健教授甚至还想到了：瓦肯星因为质量大，估计有不少火山活动。它的中心很可能是液态的铁，因此会有磁场，会和太阳作用产生极光。这样想来，瓦肯星的天空是非常美丽的。
最后我们需要指出一点，在已知的拥有地外行星的类太阳恒星中，波江座40A是最近的，也是第二明亮的。在天文学中，16光年是一个很近的距离，近到你不需要望远镜就能看见它。在任何一个晴朗的夜晚，你都可以远眺斯波克的故乡。这是多么动人的故事啊！
以上就是葛健教授献给科大校庆的礼物，他祝科大永远在敢为天下先的道路上不断前进。葛健师兄感谢当年科大的老师和同学们，他们那股科大特色的牛气终身给他鼓励！
这项发现在媒体上引起了很大的反响，《星际迷航》的团队专门召开记者招待会发布了这条新闻。事实上，《星际迷航》和科大的关系还不止这一条。
《星际迷航》中一个最核心的技术是传送术（beaming），就是biu的一声把人从这里传到那里。《星际迷航》一句最著名的台词是“beamme up”，就是“把我传上去”！在每一部电影中，都必然要依靠这一招来解决困难，属于压箱底的锦囊妙计。
《星际迷航》中的传送术
传送术是一个什么性质的技术呢？很容易以为，传送术跟曲率推进一样，都属于纯粹的科幻，没有科学原理。非也！曲率推进现在还是纯粹的科幻，但传送术已经不是了！传送术是有科学原理的，这个原理叫做“量子隐形传态”（quantumteleportation）！
我写过一篇4万字的科普文章，叫做《你完全可以理解量子信息》。量子信息是当今一个热门的学科，量子隐形传态是量子信息中的一种技术。如果你看了我的文章，你就可以对量子隐形传态获得比较深入的了解。在这里，由于篇幅所限，我们只能介绍一些基本点。提示大家，《你完全可以理解量子信息》可以在我的微信公众号“风云之声”看到，进去点一级菜单“科技”，然后选择二级菜单“量子科普”就是~
风云之声的页面菜单
量子隐形传态实际做到的是什么？是以不高于光速的速度、破坏性地把一个体系的未知状态传输给另一个体系。打个比方，用颜色表示状态，A粒子最初是红色的，通过量子隐形传态，我们让远处的B粒子变成了红色，而A粒子同时变成了绿色。但是我们完全不需要知道A最初是什么颜色，无论A是什么颜色，这套方法都可以保证B变成A最初的颜色，同时A的颜色改变。
量子隐形传态
量子隐形传态的理论方案，是在1993年设计出来的。因此，在《星际迷航》刚开始拍的六十年代，传送术还是纯粹的科幻，但在1993年之后就不是了。
量子隐形传态第一次实验实现，是在什么时候呢？是1997年，即理论方案提出来4年之后。从这时开始，量子隐形传态就跟科大有了密切的关系。
1997年，潘建伟在奥地利因斯布鲁克大学的塞林格（Anton Zeilinger）教授门下读博士，他们在《自然》杂志上发表了一篇题为《实验量子隐形传态》（“Experimentalquantum teleportation”）的文章，潘建伟是第二作者。这篇文章后来入选了《自然》的“百年物理学21篇经典论文”，跟它并列的论文包括伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论、沃森和克里克发现DNA双螺旋结构等等。
奥地利科学院院长安东·塞林格教授
18年后的2015年，这时潘建伟是科大教授、中国科学院院士，他和陆朝阳等人在《自然》上发表了《单个光子的多个自由度的量子隐形传态》（“Quantumteleportation of multiple degrees of freedom of a single photon”），被英国物理学会评为2015年世界十大物理学突破之首。新的成果是什么呢？跟以前对照一下，你就能看出来，新的成果是“多个自由度”。
媒体报道我国首次实现多自由度量子隐形传态
同学们可能要问了，自由度是什么？自由度就是描述一个体系所需的变量的数目。简而言之，就是有多少个性质。实际上，潘建伟等人的突破，就是从只能传一个性质进步到了可以传两个性质。打个比方，现在用颜色和形状来表示状态，A粒子最初是一个红色的球，我们可以让B粒子变成红色的球，同时A粒子变成绿色的方块。
潘建伟在调试设备（资料图片）新华社记者 张端/摄
《道德经》说：“道生一，一生二，二生三，三生万物。”我们可以说量子隐形传态1997年实现了道生一，那时潘建伟还是博士生。2015年实现了一生二，这时他已经是量子信息研究的国际领导者。从传输一个自由度到传输两个自由度，走了18年之久。这中间有无数的奇思妙想、艰苦奋斗，是人类智慧与精神的伟大结晶。
好，下面一个显而易见的问题是：电影里的传送人，离我们还有多远呢？我们可以来估算一下。
12克碳原子是1摩尔，即6.023 × 1023个。人的体重如果是60公斤，就大约有5000摩尔的原子，3 × 1027个。描述一个原子的状态，要多少个自由度？姑且算作10个吧。那么要描述一个人，就需要1028量级的自由度。
我们现在是什么状态呢？我们刚刚从1进步到了2……所以，嗯，我们的征途是星辰大海！向着夕阳奔跑吧，少年！
向着夕阳奔跑吧，少年！
今天讲的这两个故事，都令人想起《星际迷航》每部电影结尾都会出现的那句经典台词：“勇敢地奔向前人未至的领域。”（Boldlygo where no one has gone before.）这正是科大的精神，科学的精神！
《星际迷航》中的企业号
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作者简介：袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室副研究员，科技与战略风云学会会长，青年科学家社会责任联盟理事，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。
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