1000亿年后的宇宙高级文明:囤几个恒星,以防不测

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1000亿年后的宇宙高级文明:囤几个恒星,以防不测
麻省理工科技评论 2018-08-22

2018-08-22

在遥远的一千亿年后,石油肯定是不够用了,而太阳的能量也总是有限的。那时候,如何才能养活还在不断消耗能量的生物?近日,理论天体物理学家 Dan Hooper 向 arXiv.org 提交了一篇脑洞大开的论文,主题是宇宙加速扩张造成能量短缺的背景下,一个超级先进的文明为应对能量短缺,可从其它星系中汲取恒星并将这些恒星的能量带回家。
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在遥远的一千亿年后,石油肯定是不够用了,而太阳的能量也总是有限的。那时候,如何才能养活还在不断消耗能量的生物?近日,理论天体物理学家 Dan Hooper 向 arXiv.org 提交了一篇脑洞大开的论文,主题是宇宙加速扩张造成能量短缺的背景下,一个超级先进的文明为应对能量短缺,可从其它星系中汲取恒星并将这些恒星的能量带回家。

当灾难来临,人类首先想到的可能是囤积足够的食物,而对外星高级文明来说,可能是先准备好两个星星。

近年来的观测数据都表明:宇宙正在加速膨胀,总有一天,宇宙扩张的速度超过了光速,超星系团之间将彼此隔绝,永远无法触及。

在遥远的一千亿年后,石油肯定是不够用了,而太阳的能量也总是有限的。那时候,如何才能养活还在不断消耗能量的生物?

近日,理论天体物理学家 Dan Hooper 向 arXiv.org 提交了一篇脑洞大开的论文,主题是宇宙加速扩张造成能量短缺的背景下,一个超级先进的文明为应对能量短缺,可从其它星系中汲取恒星并将这些恒星的能量带回家。



宇宙膨胀,银河系将成“孤岛”


在 20 世纪 30 年代,天文学家开始意识到宇宙处于扩张状态。而到了 20 世纪 90 年代,他们才意识到这种扩张速度正在加速。据估计,在接下来的 1000 亿年中,附近星系群中的所有恒星——包括银河系在内的54个星系——将扩展到我们可到达的宇宙范围之外。换句话说,我们现在可以在天空中看到的大多数恒星和星系将永远消失,夜晚的天空将空空荡荡、了无生趣。

同时,这对拥有高级文明的生命来说,或许还是一场能源枯竭终极大灾难的警报。

据假设,文明对能量的需求会持续增长,而假以时日,这些充分发展的文明对能量的需求将膨胀到超过其母恒星全部的能量输出,甚至能量供应不仅来自一颗星,而是两颗甚至更多。

这仿佛在展示一个科幻小说般的场景:先进文明可以穿梭在不同星系间,将他们所在星系以外其他恒星的能量输送回先进文明的家园,就像我们现在将石油从一个城市运送到另一个城市。但即使是星际穿越,也仍然会遇到“疆域”问题:当宇宙膨胀速度太快,更多恒星永远无法触及,那么即便是拥有开发星际空间能力的高级文明,面对空无一物的宇宙也将束手无策。

在那个时候,高级文明需要的能量来源将成为其发展的最大限制。



开采恒星以收获更多能量


说到能源的利用,目前我们对太阳能量的利用效率实在低得可怜。

其实,我们需要的能源并没有想像的那么多,只需要开辟一片地,相当于撒哈拉沙漠面积的 0.5%,把照在上面的太阳能全部收集起来,就可以应付目前人类所需要的能量。那么,如果将太阳发出的所有能量都收集起来呢?

1964 年,苏联天文学家尼古拉·卡尔达肖夫提出了根据文明所需利用的能源量级来度量文明层次及技术先进程度的假说。在卡尔达肖夫指数中,I 型文明使用在它的故乡行星所有可用的能量,II 型文明利用它的行星所围绕的恒星所有的能量,III 型文明则利用它所处星系的所有能量。

按照这一定义,人类目前仍是最低等的 I 型文明。而日裔美国籍理论物理学家加来道雄认为,人类可能在 100 到 200 年左右达到I型状态,在几千年后达到II型状态,而约在 10 万至 100 万年后达到 III 型状态。

那么,人类如何从低卡尔达肖夫指数文明向高卡尔达肖夫指数文明过度?换句话说,我们如何将恒星的能量收集起来?

1960 年,美国物理学家、数学家弗里曼•戴森在一篇发表于《科学》杂志的论文中,讨论了文明如何应对这一能量需求的增长。

他认为,未来人类可以建立能够拦截和收集母恒星发出的所有能量的轨道结构。这个收集能量的装置,即戴森球。按照他的设想,木星被拆解掉,全部物质用来建造一个包裹着整个太阳的巨大球壳,太阳辐射就被这个球壳完全或者部分地吸收。居住在球壳内壁的人们将处于永恒白昼之中,太阳高悬在头顶,每一“天”都是夏至日;如果你想看星星,只需翻到球壳外壁,星辰大海立刻展现在你的眼前,而且没有光污染。这种方法最大化地利用了太阳的能量。

这个概念一经提出就受到了一众科幻作家的推崇。戴森球经常在科幻或其他虚构作品中出现。在这些作品中,戴森球往往被描述成“戴森壳”的形式,而建造该结构所面对的引力和工程难题则常常被忽略。



用戴森球把恒星“带回家”


但是,戴森球并不能阻止宇宙的膨胀。面对这一问题,Hooper 已经找到了这个问题可能的解决办法,或许有一天他的后代的后代的后代的后代会感谢他。

在 Hooper 这次的论文中,他认为高级文明会以戴森球的方式来获取恒星的能量,并赶在宇宙膨胀到大分裂之前,将需要完成大量建造戴森球或相似装置的任务,这些戴森球将围绕他们捕获的恒星建立,收集到的能量把可能会落在宇宙视界之外的恒星推回到视界之内。

这是一项极为浩瀚的工程。据 Hooper 估计,通过这种方法收获恒星并将其移动到新位置是一项在几十兆个秒差距上的工作。秒差距是天文单位,1 兆秒差距为 330 万光年,大约是 3 万亿亿米。

Hooper 对这种收获恒星的方案仍然有些担心。因为如果捕获到了错误的恒星,也许它永远也回不到原来的位置。想要搬运这些恒星主要由 2 个因素制约:一个是宇宙膨胀的速度,另一个是恒星自己的寿命限度。

质量太大的恒星寿命也短,在迁移到目的地之前就会燃烧殆尽,质量太小的恒星也会因为总能量不够而无法达到目的地。Hooper 通过计算得出的结论是,0.2 到 1 个太阳质量是理想的恒星目标。

但是他的论文没有详细说明一个文明如何移动一颗恒星,以及如何把恒星的热能转换成动能。Hooper 说,推测高级文明的行为“就像要求一个穴居人弄清楚汽车是如何工作的。”

目前,Hooper已经承认,这个 1000 亿年的时间框架是以人类文明为中心的。宇宙空间很大,因此完全可能在距银河很远的地方存在高级文明,但高级文明到银河系之间的距离已经到了紧缩点。

Hooper 建议,这可能是地球天文学家搜寻地外生命的全新线索:“许多过去搜寻戴森球的方式主要集中在观测银河系内恒星周围是否存在疑似结构。而现在,我们应当将星系当做一个戴森球中包围的群体来考虑,这将引导一种完全不同的观察策略。”

一个被戴森球包围起来的星系会看起来很奇怪,因为其中只有大质量恒星——这些恒星或者是质量太大或者是寿命太短因此无法利用。

Hooper 在论文中指出,一个在 10 到 50 亿年前就开始大搬家的高级文明,会以这样的形式出现:在它们周围 30Mpc(大约 1 亿光年)之内,1~4 个太阳质量的恒星已经悉数被收集和转移,更小一点质量的恒星还在运输途中,这些恒星全部被套着戴森球,开足马力向文明中心进发。它们不同于传统的戴森球,如此强大的运输舰队必然会在宇宙中留下痕迹,比如高强度的电磁辐射。

按照这个推断,如果我们的望远镜发现某片宇宙区域恒星突然增加,那便可能是一个高级文明的所在地了,如果某个区域某种类别的恒星突然消失不见,也许它们刚被罩上戴森球准备起程。

这种重量级的发现一定会引爆整个人类社会,可惜的是,我们现在仍然没有发现这样的宇宙现象。

关于这种方式,也有不同的声音。无论是人类还是动物,面对资源的紧缺,迁徙是很常见的做法。做一个游牧民族比搬运土地要容易得多,所以哈佛大学的理论天体物理学家 Avi Loeb 就认为没有必要收集恒星,因为“大自然已经为我们收集好了”:一个个星系不就是一簇簇恒星吗,一个超级文明应该能够在星系之间自由迁徙。在宇宙视界之外的地域,通过弯曲空间,制造虫洞也是可以到达的。

如果宇宙是一个封闭的孤立的系统,宇宙的熵会随着时间的流逝而增加,由有序走向无序,当宇宙的熵达到最大值时,宇宙中的其它有效能量会全部转化为热能,从而走向热寂。那时恒星将完全停止闪耀,甚至物质都会分解。想像一下,在宇宙临终之时,超级文明们是否会有一丝无奈和悲凉(如果他们也有这样的感情的话)。

当熵增到真正的热寂来临,万物(包括自己)都阻挡不住分解和衰变的结局。 文明发展几千亿年,合并了无数星系,也不得不随着宇宙走向灭亡。

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