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生命的下一个十亿年

选择字号: 大号 中号 发布时间:2018-11-30 10:16 | 作者:奇闻怪事2018年10期 | 阅读次数:249

人类刚刚诞生在地球上,但其未来则在浩瀚星空之中。

在诞生后的138亿年,我们的宇宙终于苏醒了,并意识到了自身的存在。在一个小小的蓝色星球上,一些微小的具有意识的东西开始用望远镜凝视宇宙,并多次发现他们所看到的一切,不过属于更宏大东西的很小一部分:地球之外是太阳系,太阳系之外则是银河系,银河系之外还有数以千亿个河外星系,而且这些星系还一起构成了星系群、星系团和超星系团。虽然有自我意识的观星者在很多事情上意见不一,但他们都倾向于认为这些星系是美丽的,令人惊叹的。

但美是在观看者的眼中产生的,而不是在物理定律中。所以,在我们的宇宙醒来之前,没有美丑可言。这使我们宇宙的苏醒变得更加美妙,值得庆祝:它将我们的宇宙从一个无意识的死寂之地变成了一个活生生的生态系统,里面有着反思、美丽和希望,以及追求、意义和目的等。

生命的下一个十亿年
也许,情况可能会变得更好。我们还不知道我们是否是宇宙中唯一的观星者,或是第一批观星者,但我们已经学到了足够多的关于宇宙的知识,有能力让生命在我们的宇宙中传播开来,并能在数十亿或数万亿年的时间里蓬勃发展。也许,要想成就这一切,依赖于我们在这颗小小的蓝色星球上所做的决定。

一个最鼓舞人心的科学发现是,我们极大地低估了生命的未来潜力。我们的梦想和抱负不应该再继续被疾病、贫穷和战乱所拖累。相反,在科技的帮助下,生命有可能在整个宇宙中蓬勃发展,而且比我们的祖先想象的更加宏伟、更鼓舞人心。下面,我们就从资源、能源、计算机技术以及星际殖民等方面,畅畅谈一下生命的下一个十亿年。

所需的终极资源
如果科技能打破我们原有的生命感官限制,那么终极的限制是什么呢?

这些终极的限制不是由我们的想法来决定的,而是由物理定律决定的。具有讽刺意味的是,这使得在某些方面,我们更容易分析出生命长远的未来,而不是短期的未来。

今天的超市和商品交易所出售的商品有成千上万种,我们可以称之为“资源”,而那些科技水平远高于我们的智慧生命,可能主要需要一个基本资源:所谓的“重子物质”,意思是由原子或其组成成分(质子和中子等)构成的东西。这是因为,从物理学的角度来看,智慧生命想要创造的一切东西——从栖息地、机器人到新的生命形式——只需要以某种特定的方式对粒子进行组合,如由两个氢原子和一个氧原子,就可以组合成水。

而一旦智慧生命学会了通过对粒子进行组合来生产材料,那么他们所需的就是重子物质,而且越多越好。而宇宙可以为之提供几乎无穷尽的重子物质,所以说,智慧生命最终都会逐步离开自己的母星,并向太空拓展。

包裹整个太阳
当谈到未来时,最满怀希望的一位梦想家,则是美籍英裔数学物理学家弗里曼·戴森。在英国作家奥拉夫·斯塔普尔顿所写的科幻小说《造星主》的启发下,他想到,为什么不干脆把所有的太阳能量输出都收集起来呢?于是,他在1960年发表了一篇关于“戴森球”的文章。他的想法是利用整个木星的物质,来建造一个围绕在太阳周围的球形外壳生态圈,我们的后代可以在那里繁衍生息。处于地球当前轨道上的戴森球将会给我们提供约为地球表面5亿倍的生活空间,可利用的能量将是当前人类所使用的总量的数万亿倍。

他认为这是自然而然的下一步:“人们应该期望,在进入工业发展阶段的几千年之内,任何智慧生物最终都会居住在一个完全包裹其母恒星的人造生物圈上。”但对今天的人类来说,戴森球的生活似乎很难令人适应,至少能让人失去方向感。例如,一些戴森球可能都无法产生任何重力。此外,如果你住在戴森球的里面,就不会有黑夜:不管你在哪里,你总能看到太阳直射在头顶上。如果你想要看星星,你只好去戴森球的外面观察宇宙。不管怎样,这并不能阻止未来生物或其他生命形式在戴森球上蓬勃发展。

问题是该如何建造呢?如果直接建造一个完全包裹恒星的戴森球太难的话,那么这里还有一个简化建造方案:在围绕太阳的一个圆形轨道上建造一个环形栖息地,如同给太阳建造了一个光环一样。为了完全包裹太阳,你可以在不同的轴线上添加环形栖息地,它们与太阳的距离应有所不同,以错开来避免相撞绕。

但要想让戴森球使用寿命更长,戴森球需要能不断调整其位置和形状,以应对干扰,比如偶尔打开个大洞让烦人的小行星和彗星顺利通过。另一种应对干扰的方法是,可以使用检测和防御系统来处理这些入侵者,比如让它们运动路线发生偏转,或把它们粉碎掉。

追求能效极限
尽管在今天的工程标准中,戴森球的能效很高,但它们远没有达到物理定律设定的极限——100%。爱因斯坦告诉我们质量可以转化为能量,关系为E=mc2,其中E代表能量,m代表质量,c代表着光速。由于c的数值十分大,这意味着少量的质量就可以产生巨大的能量。如果有充足的反物质供应,那么就可以让质量完全转化为能量,这样我们就可以容易地建造一个能效为100%的发电厂了。只要把一茶匙的反水倒进普通的水里,就会释放出相当于20万吨TNT的能量,这是一种典型氢弹的能级,当前全球只靠这点能量就可以运行7分钟左右。但可惜的是,我们的宇宙中并没有充足的反物质供应。

相比之下,我们今天最常见的产生能量方式都效率低下。人消化一块糖的能效仅仅是0.00000001%。如果你的胃有0.001%的能效的话,那么你只需要在你的一生中吃下一顿饭就可以了。而今天的核反应堆通过裂变分裂铀原子,但仍然不能提取超过0.08%的能量。聚变的能效比裂变的略高一些,但即使我们给太阳罩上一个完美的戴森球,我们收集到的能量还远不及0.08%的太阳质量转化出的,因为一旦太阳消耗掉自身大约十分之一的氢燃料后,它将结束作为一个正常的恒星的生命周期,会开始进入红巨星阶段,并走向死亡。

那么,我们怎样才能做得更好呢?

黑洞发电站
英国物理学家斯蒂芬·霍金在他的书《时间简史》中,提出了一个用黑洞建立发电站的方案,利用的是黑洞能吞噬物质,然后通过蒸发将物质转化为辐射的能力。但是,除非黑洞的质量非常小,一般黑洞的蒸发速度都十分缓慢,所以说这个方案并不容易实施。

另一个更容易实施的策略不是从黑洞内部提取能量,而是从正落入黑洞的物质中提取能量。大自然已经有了一种实现这一切的东西——类星体。类星体是一类离地球最远、能量最高的活动星系核,其核心有着正在吞噬周围气体的超大质量黑洞。当气体漩涡接近黑洞时,会形成一个圆盘状的吸积盘,其最里面的部分会逐渐被吞噬,但在当气体落向黑洞里时,它们的重力势能转化成动能,速度不断提高,就像一个自由落体那样。随着运动速度的加快,气体的运动状态也开始变得混乱起来:越来越多的湍流出现了,给气体带来更小尺度上的随机扰动。最终,每个分子和原子开始以更剧烈地频繁碰撞——剧烈的热运动意味着气体的温度变得极高,而这些碰撞将动能轉化为强烈的辐射能。

在安全的位置上,通过在黑洞周围建立一个完整的戴森球,可以捕获和使用这种辐射能量。黑洞旋转得越快,这个转换过程的能效就越高。相关的计算表明,急速旋转黑洞最高能以约42%的效率传递能量。

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