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科学之谜:生命的下一个十亿年

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。

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,来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,而这些碰撞将动能转化为强烈的辐射能。

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。

超压发动机

除了黑洞发电站以外,未来的智慧生命也许能够建造所谓的“超压发动机”:一种像柴油发动机一样的能源发电机。传统的柴油发动机是将空气和柴油的混合物进行压缩,直到温度足够高时,使其自燃并燃烧。在那之后,热的混合物在过程中重新膨胀,推动活塞来做功。燃烧后的产物,比活塞里最初的物质少了0.0000005%,而这一质量差异转化为了驱动发动机的热能。

超压发动机与柴油发动机类似,但效率会更高。它能把普通物质压缩到几千万亿度,然后让它重新膨胀并冷却,这一过程能把大部分夸克转化成电子和其他相关的粒子,损失近一半的质量,转化出更多的能量,来驱动发动机。所以,它就像一个柴油发动机,只不过其效率是柴油发动机的10多亿倍。

虽然这种发动机技术离我们还很遥远,然而我们早就知道与之类似的情形了:发生在大约138亿年前的宇宙大爆炸。宇宙大爆炸就几乎把100%的物质转化为了能量,大爆炸后剩下不到十亿分之一的夸克和电子,最终构成我们今天在宇宙中观察到的所有物质。

追求计算的极限

如果吃晚饭的能效还不到物理的极限能效的一百亿分之一,那么今天的电脑的能效有多高呢?事实上,比吃顿晚餐更糟糕。美国麻省理工学院的量子计算机先驱赛斯·劳埃德表示,计算机速度受到能量(或质量)的限制。他指出,一台质量为1 千克,体积为1立方分米的计算机(相当于一台小型笔记本电脑),其运行速度最高为每秒能执行5×1050操作,这大致相当于当前笔记本电脑运行速度的41个数量级(1041倍)。如果计算能力每两年增加一倍,我们将在几个世纪后抵达这个极限。他还指出,一台这样的电脑最多可以存储1031比特的数据,这比当前笔记本电脑能存储的要多数百亿亿倍。

实际上,达到这些限制可能是具有挑战性的,即使是对于超级智慧生命来说也是如此。然而,劳埃德乐观地认为,这个限制离我们并不是很遥远,现有的量子计算机原型已经能利用一个原子来存储一个比特的信息了。按比例计算,1千克能存储约1025比特,比当前的笔记本电脑高上几万亿倍。此外,使用电磁辐射(即光子)让这些原子能彼此沟通,那么计算机每秒最多能执行5×1040操作,这比当前的笔记本电脑高了31个数量级。

追求计算的极限,是实现超级人工智能所必须的。事实上,人脑的计算速度是每秒能执行约1016次操作,而质量还不到1.5千克。

快速星际殖民

根据狭义相对论,以光速发射宇宙飞船是不可能的,因为这需要无限的能量。那么,在实践中,最快的飞船能有多快?

1984年,美国物理学家罗伯特·富沃德首创了一种用激光驱动飞船的巧妙设计。就像空气分子与船帆相撞时会推动船前进一样,光子在镜子上相撞时也会推动镜子前进。我们可以利用太阳能驱动一个巨大的激光系统,把激光射到一个巨大的超轻的光帆上,我们可以利用太阳的能量不断加速飞船,能使它达到极高的速度。富沃德经过计算,光帆飞船可以在40年左右的时间里把一小批船员送达离地球约4光年远的南门二——距离太阳最近的恒星系统。一旦到了南门二,船员可以利用那里恒星的能量,继续在银河系中从一颗恒星飞跃到另一颗恒星。

而超级人工智能还能使得光帆飞船变得更加现实。如果你不需要运输庞大的人类生命支持系统,而是仅仅搭载一个不太大的“种子探测器”,那么未来的激光航行就会变得非常快速,而且成本大幅度降低。这里的“种子探测器”是一种能够降落在行星或卫星上的超级人工智能机器,并能从零开始建造一个新的文明。它甚至不需要携带指令,它所要做的就是建立一个足够大的接收天线,以获取从其母亲文明中发过来的更详细的蓝图和指令信号。然后,它还能就地取材,建造出新的激光系统和光帆飞船,并搭载新的种子探测器,以继续在银河系内进行殖民。

一旦超级人工智能殖民了另一个太阳系或整个银河系,就很容易把人类弄过去了。所有有关人类的必要信息都可以以光速传播过去,之后超级人工智能组装成出人类。组装出一个人类,可以有两种方法。一种是只需传输指定一个人的DNA,然后让人工智能孵化一个孩子并抚养其长大;另一种是把一个人所有的信息都发过去,人工智能可以将夸克和电子组装成一个与原来的人完全一样的成人。

在一个星系内,如果借助光帆飞船,平均需要20年旅行到10光年远的恒星系统,然后再花另一个10年来建造的新的激光系统和光帆飞船的话,那么,星际殖民会以平均三分之一的光速的速度,朝着星系内各个方向进行扩张。

“宇宙垃圾邮件”骗局

事实上,有一种卑鄙的殖民宇宙的方法,比任何以上的方法都要扩展得更快:使用“宇宙垃圾邮件”骗局。通过向宇宙播送一条条信息,一个先进文明可以诱骗其他新进化出的文明去制造出一个超级人工智能机器,但这种机器其实能灭掉或奴役当地的文明,并把那里改造为该先进文明的殖民地。发个信息的速度是光速,如果该先进文明屡屡得逞的话,那么他们就能借助 “宇宙垃圾邮件”在宇宙中寻常传播开来。

因为这可能是先进文明能以光速抵达大部分恒星系统的唯一途径,而且他们没有理由不去尝试一下,所以,我们应该对接收到的任何外星人信号都要保持高度怀疑的态度。在美国天文学家卡尔·萨根所写的科幻小说《接触》中,我们地球人就用外星人的蓝图建造了一台我们不懂的机器,万幸的是,最终发现这机器只是外星人用来与人类进行接触的工具,而不是来劫持我们文明的。当然在现实中,我们强烈建议,在尚未搞懂前,千万别去建外星人的机器。

我们为了和平而来

到目前为止,我们只讨论了从单一的文明向宇宙拓展的情形。但是,如果两个文明相遇,会发生什么呢?


欧洲人能够征服非洲和美洲,因为他们拥有优越的技术。相比之下,在两个超级智慧文明相遇之时,他们的技术将会在同一水平上,都已经接近物理定律上的极限。这样,即使他们想打起来,一个超级智慧文明似乎不太可能轻易地征服另一个超级智慧文明。此外,如果他们的目标已经进化成相对一致的话,那么他们就没有理由渴望征服或战争。例如,如果他们的目标都是试图尽可能地证明许多美丽的定理,以及发明尽可能多的聪明的计算机算法,那么他们可以分享彼此的发现,来使事情变得更好。因为信息非常不同于通常人类经常争夺的资源,跟别人分享了信息后,你也不会失去它。

如果两个文明相遇并发生冲突的话,更可能发生的是思想冲突,而不是武力冲突。一些追求不断扩张的文明可能有一些基本不变的目标,尤其是打着某种宗教的目标。然而,一些先进的文明更可能是思想开放的——在提出足够令人信服的论点时更愿意调整自己的目标。同化你的邻居是一个比用武力解决更好的扩张策略,但这不会是强迫同化,而是自愿的,主要是看哪个思想更有说服力。

完全拥抱科技

科幻作家通常被认为是不切实际的浪漫梦想家,但具有讽刺意味的是,现在大多数科幻作家和科学记者对太空殖民太过悲观。但我们在这里看到,当人们和其他智慧生命能够以数字形式进行传播时,星系间旅行就变得更加容易,这可能使我们不仅在我们的太阳系或银河系中,也在整个宇宙中,成为我们自己命运的主人。

如果我们不再继续提高我们的科技,那么我们的命运必将走向灭亡——可能是一颗小行星、一座超级火山、炙热的太阳或其他灾难给我们的文明画上句号。不过,如果我们不是回避科技,而是拥抱它,那么我们就同时增加了这两件事的可能性:生命获得了更多的存活和繁荣的潜力,以及因为糟糕的计划而更早地自我毁灭。我们认为,我们应该拥抱科技,但不要盲目相信自己,而是要谨慎地、有远见地规划。在我们的宇宙中,生命的未来潜力比我们祖先最狂野的梦想更宏伟,所以让我们充分利用科技吧!

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