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宇宙盡頭:人類面臨的最長期挑戰是什么?

2019-07-23 09:22:52  來源:新浪科技

北京時間7月23日消息,文明能存在多久?如果想繼續繁盛幾十億年,人類就需要解決一些棘手的問題,包括太陽的死亡到物質的衰變。

談論遙遠的未來真的有意義嗎?如果我們連下個月什么時候會下雨都不能預測,那么預測幾十億年后會發生什么似乎是更不可能了。

不過,并不是所有的事情都像天氣一樣混亂。有時候,即使是非常遙遠的未來也是可能預測的,特別是在天體物理學和宇宙學中。我們可以確信,2090年9月23日英國將發生日全食,因為月球、太陽和地球運行在可預測的穩定軌道上,只有非常小的擾動,而且引力定律已經得到了很好的檢驗。同樣,我們可以利用已知的天體物理學來預測宇宙膨脹時可能發生的情況。

不斷變亮的太陽可能會給我們的后代帶來嚴重的問題

這種方法可以被稱為“物理末世論”(physical eschatology)——這是天文學家馬丁·里斯(Martin Rees)創造的一個術語,指的是用天體物理學來模擬宇宙的走向。里斯從神學中得到啟示,其中“末世論”是指研究諸如世界末日之類的終極事物。關于這個主題的經典著述是弗里曼·戴森(Freeman Dyson)在1979年發表的關于開放宇宙中生命的論文,其中概述了可能存在并威脅到遙遠未來生命的災難事件,從太陽的死亡到恒星與星系的分離。

那么,如果人類能一直活到遙遠的未來,那我們面臨的最大挑戰是什么?我們還不能說這些挑戰將如何(或能否)被克服,僅能做出一些猜測,但可以肯定的是,這些威脅人類生存的事件正在到來。

問題1:如何比其他哺乳動物存續更久?

哺乳動物物種的典型存在期限大約是100萬年左右。對人類來說,目前的自然滅絕率遠遠小于我們給自己造成的風險。我們顯然還有其他迫切需要應對的威脅,比如核戰爭和流行病。想要解決當前存在的威脅和可持續發展問題,我們就不得不應對一些其他挑戰。

首先,在數萬年后,我們將不得不面臨間冰期的結束:我們正生活在一個漫長冰河時代的短暫中斷之中。我們的祖先在冰河時代幸存下來,所以這可能沒什么大不了的——只不過他們是游牧的狩獵采集者,而不是一個全球文明。

我們還可能面臨不同地質時代之間劇烈的氣候變化。過去的地球有時會比現在更冷,有時則更熱。在始新世,地球氣溫升高了10攝氏度,北極出現了棕櫚樹和短吻鱷,赤道地區因為太熱而不適于沒有保護措施的人類生存。在更遙遠的過去,甚至還上演過“雪球地球”的劇情,幾乎所有的地表都被冰雪覆蓋。

此外,我們還會迎來超級火山活動、流星撞擊、伽馬射線爆發或突發生態破壞等風險。古生物學研究顯示,這些災難已經導致了大約每1億年一次的自然大滅絕。

智人作為一個物種可能不會長久,因為我們還可以演化成其他物種。人類會不斷地變異,服從自然選擇。更不用說讓人體與機器融合的技術了。在數百萬年的時間里,人類不太可能保持不變——除非在深思熟慮之后,我們決定將人類基因保護起來,并且能夠在地質時間的尺度上堅持這一決定。

如果“我們”在10億年后還存在,我們就將擁有可以任意持續發展的文明,能夠在全球范圍內應對災難,并提前為地質時期做好計劃。而且很可能此時的人類與今天我們的差異就像我們與三葉蟲的差異一樣大。具有諷刺意味的是,為了比其他哺乳動物存續得更久,人類必須變得與我們現在非常不同。

在未來幾百億年內,宇宙中恒星的數量將達到頂峰

在未來幾百億年內,宇宙中恒星的數量將達到頂峰

問題2: 如何在生物圈毀滅后存活?

在大約十億年內(誤差為幾億年),太陽亮度的增加將毀滅地球的生物圈。具體而言,太陽的熱量將導致巖石風化加劇,進而導致某些化學反應,消耗空氣中大量的二氧化碳。作為碳循環的一部分,二氧化碳的缺失將最終導致植物的消亡。此外,隨著越來越多的水蒸氣(一種強有力的溫室氣體)從海洋中蒸發,地球最終會過熱,成為一個失控的溫室。

一種方法是使用大規模工程來保護生物圈,盡可能延長其存在時間。我們可以在平流層中添加反射氣溶膠,在地球和太陽之間建立一個遮陽板,甚至推動地球向太陽系外側移動。

另一種解決辦法是把生命轉移到太空——這也是我們正想要做的事情。自給自足的太空棲息地似乎是可能的,那里擁有的物質是地球表面的數十億倍。即使太空殖民基地看起來很難建造,但我們也應該記住,時間是足夠的。我們有10億年的時間來變得更熟練、更富有,能實現更多的可能性。

到這個時候,人類若想生存下去,就必須將活動范圍擴展到整個太陽系的規模。

問題3: 如何在太陽的主序星階段結束后存活?

大約50億年之后,由于太陽核心積累的氦被重力加熱升溫,其亮度將開始更迅速地增加,變成一個巨大的紅巨星。太陽的表面溫度下降,但由于巨大的表面積,太陽光的總輸出會變得更大。這可能意味著地球末日的到來,因為它很可能在太陽膨脹時被吞沒。如果沒有被吞噬的話,地球也會在太陽的炙烤下變成一顆沒有空氣的焦黑行星。“不久”(10億年左右)之后,太陽將以星云的形式排出大部分外氣層,變成一顆微小的白矮星。

為了生存下來,任何生活在太陽系的智能生命都需要遷移到其他恒星系。當然,人類也可以選擇適應,但是白矮星并沒有太多的光和能量。

到達其他恒星系要么需要非常高速的航天器,要么需要很長時間。對于已經生活在自給自足的太空居住地的人來說,讓他們前往新目的地可能是自然而然的事情。他們需要能持續使用很長時間的能源和足夠的物質來維持太空生活,并使太空居住地達到合理的速度,以完成數千年的星際旅程。

不過,最有可能到達其他恒星系的方法可能是借助微型納米機器人飛船。與其用大量能源把巨大的星際飛船推到一個適中的速度,還不如用反射帆和強大的激光來發射高速的微型飛船。這些飛船體積雖小,但數量很多:如果一艘飛船不能完成任務,那就發送一千艘。它們還可以攜帶創造生命的基因元素——甚至是人類。一旦到達目標恒星系,它們就會降落在合適的小行星上,展開太陽能收集器,開采原材料并建造更多的機器人、太陽能收集器和工廠。最終,這些飛船可以建立新的居住地,供人們在其中生活。

很可能沒有生物學意義上的人類會離開太陽系。從這一點上,我們可能會質疑,未來我們到底是作為人類,還是作為一個新物種在宇宙中傳播?但如果我們的后代能在紅巨星太陽下幸存下來的話,那他們很可能就生活在銀河系的其他恒星系中。

問題4: 如何在恒星到達生命盡頭時生存下來?

宇宙中恒星的形成已經達到了最高點,在未來的幾百億年內,宇宙將達到“恒星頂峰”。當明亮而短命的恒星燃燒殆盡時,會留下一大堆穩重而長壽的紅矮星。它們可以發光上萬億年。但是,恒星的形成速度將會下降。在10到100萬億年后,甚至紅矮星也會噴射并消失。為了生存,生命需要星光以外的能源。

實際上存在很多可能性:利用褐矮星和氣態行星的氫進行核聚變;將物質傾倒到黑洞吸積盤中,收集釋放出來的能量;甚至利用所謂的超輻射散射(又稱為“黑洞炸彈”)直接利用黑洞的能量。無論如何,這都需要大規模的工程。那普通的核能呢?當中子星和超新星合并產生的新放射性同位素消失時,核裂變能量就會終止。當行星內部的同位素衰變并冷卻下來時,地熱能也會耗盡。

此時的“生命”或許也能適應低溫和奇異的環境。人工智能和硅基生物可能會在接近絕對零度的環境中茁壯成長。隨著恒星的消失,以碳基生命和智能生物很有可能會退回到舒適的虛擬世界中,這個虛擬世界比外部宇宙要大得多,也復雜得多。

如果人類在恒星到達生命盡頭時幸存下來,那他們本身就將成為宇宙中最大的能量來源。

問題5: 如何在星系消失之后生存下來?

隨機的恒星運動最終會導致星系溶解:恒星之間會不時地擦肩而過,并隨機地改變速度。有時這會給恒星一個脫離星系的逃逸速度,使其消失在巨大的虛空中,同時導致星系的其他部分稍微壓縮。最終,在大約1萬億年后,所有的星系都會分散或落入中央黑洞。在與黑洞的近距離接觸中,圍繞恒星的行星也會被拋出。

為了生存,智慧生命需要引導恒星進入長期穩定的軌道。聽起來似乎不可思議,但這在物理學上是可能的!至少在當今時代,人們可以通過放置反射鏡來推動恒星,此時恒星的輻射就像非常微弱的火箭發動機,讓它們以可控的方式彼此擦肩而過。這類似于人類利用引力來幫助旅行者號探測器轉向和加速,只不過規模更大。當這些恒星改變軌道時,它們可以被用來進一步推動彼此,進行有史以來規模最大的臺球比賽。

這將需要在每顆恒星周圍建造大型結構,并事先制定龐大的計劃,每個恒星系所需要的物質總量大約相當于一顆較大的小行星,而且物理學相對簡單。這個問題更多的是關于在十億年的時間尺度上如何協調,對于已經處理了前述問題的人類來說,這可能只是一個日常計劃。

問題6: 如何從物質的終結中幸存?

這里所說的物質是由質子、中子和電子組成的原子構成的。質子和電子通常被認為是完全穩定的(中子是通過質子來穩定的,其半衰期只有幾分鐘)。

然而,許多物理理論預測質子并不是真的穩定,而是會在極長的時間跨度內衰變。盡管物理學家已經進行了一些大膽的研究,但迄今為止還沒有觀察到質子衰變。不過,這僅僅告訴我們,如果衰變確實發生,需要數萬億年的時間。

這種衰變將意味著我們目前所知物質的終結。恒星和行星將慢慢變成輻射,加上自由電子和正電子,無法形成宜居系統。最后一顆冰冷的黑矮星將逐漸變成氦和氫晶體,在寂靜中逐漸蒸發。剩下的就只有輻射和黑洞了,一個空蕩蕩的宇宙。

我們能繞過這一結局嗎?正如艾薩克·阿西莫夫的短篇小說《最后的問題》(The Last Question)中那臺偉大的電腦所說,“目前還沒有足夠的數據來給出一個有意義的答案。”(任天)

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