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宇宙尽头:人类面临的最长期挑战是什么?

2019-07-23 09:22:52  来源:新浪科技

北京时间7月23日消息,文明能存在多久?如果想继续繁盛几十亿年,人类就需要解决一些棘手的问题,包括太阳的死亡到物质的衰变。

谈论遥远的未来真的有意义吗?如果我们连下个月什么时候会下雨都不能预测,那么预测几十亿年后会发生什么似乎是更不可能了。

不过,并不是所有的事情都像天气一样混乱。有时候,即使是非常遥远的未来也是可能预测的,特别是在天体物理学和宇宙学中。我们可以确信,2090年9月23日英国将发生日全食,因为月球、太阳和地球运行在可预测的稳定轨道上,只有非常小的扰动,而且引力定律已经得到了很好的检验。同样,我们可以利用已知的天体物理学来预测宇宙膨胀时可能发生的情况。

不断变亮的太阳可能会给我们的后代带来严重的问题

这种方法可以被称为“物理末世论”(physical eschatology)——这是天文学家马丁·里斯(Martin Rees)创造的一个术语,指的是用天体物理学来模拟宇宙的走向。里斯从神学中得到启示,其中“末世论”是指研究诸如世界末日之类的终极事物。关于这个主题的经典著述是弗里曼·戴森(Freeman Dyson)在1979年发表的关于开放宇宙中生命的论文,其中概述了可能存在并威胁到遥远未来生命的灾难事件,从太阳的死亡到恒星与星系的分离。

那么,如果人类能一直活到遥远的未来,那我们面临的最大挑战是什么?我们还不能说这些挑战将如何(或能否)被克服,仅能做出一些猜测,但可以肯定的是,这些威胁人类生存的事件正在到来。

问题1:如何比其他哺乳动物存续更久?

哺乳动物物种的典型存在期限大约是100万年左右。对人类来说,目前的自然灭绝率远远小于我们给自己造成的风险。我们显然还有其他迫切需要应对的威胁,比如核战争和流行病。想要解决当前存在的威胁和可持续发展问题,我们就不得不应对一些其他挑战。

首先,在数万年后,我们将不得不面临间冰期的结束:我们正生活在一个漫长冰河时代的短暂中断之中。我们的祖先在冰河时代幸存下来,所以这可能没什么大不了的——只不过他们是游牧的狩猎采集者,而不是一个全球文明。

我们还可能面临不同地质时代之间剧烈的气候变化。过去的地球有时会比现在更冷,有时则更热。在始新世,地球气温升高了10摄氏度,北极出现了棕榈树和短吻鳄,赤道地区因为太热而不适于没有保护措施的人类生存。在更遥远的过去,甚至还上演过“雪球地球”的剧情,几乎所有的地表都被冰雪覆盖。

此外,我们还会迎来超级火山活动、流星撞击、伽马射线爆发或突发生态破坏等风险。古生物学研究显示,这些灾难已经导致了大约每1亿年一次的自然大灭绝。

智人作为一个物种可能不会长久,因为我们还可以演化成其他物种。人类会不断地变异,服从自然选择。更不用说让人体与机器融合的技术了。在数百万年的时间里,人类不太可能保持不变——除非在深思熟虑之后,我们决定将人类基因保护起来,并且能够在地质时间的尺度上坚持这一决定。

如果“我们”在10亿年后还存在,我们就将拥有可以任意持续发展的文明,能够在全球范围内应对灾难,并提前为地质时期做好计划。而且很可能此时的人类与今天我们的差异就像我们与三叶虫的差异一样大。具有讽刺意味的是,为了比其他哺乳动物存续得更久,人类必须变得与我们现在非常不同。

在未来几百亿年内,宇宙中恒星的数量将达到顶峰

在未来几百亿年内,宇宙中恒星的数量将达到顶峰

问题2: 如何在生物圈毁灭后存活?

在大约十亿年内(误差为几亿年),太阳亮度的增加将毁灭地球的生物圈。具体而言,太阳的热量将导致岩石风化加剧,进而导致某些化学反应,消耗空气中大量的二氧化碳。作为碳循环的一部分,二氧化碳的缺失将最终导致植物的消亡。此外,随着越来越多的水蒸气(一种强有力的温室气体)从海洋中蒸发,地球最终会过热,成为一个失控的温室。

一种方法是使用大规模工程来保护生物圈,尽可能延长其存在时间。我们可以在平流层中添加反射气溶胶,在地球和太阳之间建立一个遮阳板,甚至推动地球向太阳系外侧移动。

另一种解决办法是把生命转移到太空——这也是我们正想要做的事情。自给自足的太空栖息地似乎是可能的,那里拥有的物质是地球表面的数十亿倍。即使太空殖民基地看起来很难建造,但我们也应该记住,时间是足够的。我们有10亿年的时间来变得更熟练、更富有,能实现更多的可能性。

到这个时候,人类若想生存下去,就必须将活动范围扩展到整个太阳系的规模。

问题3: 如何在太阳的主序星阶段结束后存活?

大约50亿年之后,由于太阳核心积累的氦被重力加热升温,其亮度将开始更迅速地增加,变成一个巨大的红巨星。太阳的表面温度下降,但由于巨大的表面积,太阳光的总输出会变得更大。这可能意味着地球末日的到来,因为它很可能在太阳膨胀时被吞没。如果没有被吞噬的话,地球也会在太阳的炙烤下变成一颗没有空气的焦黑行星。“不久”(10亿年左右)之后,太阳将以星云的形式排出大部分外气层,变成一颗微小的白矮星。

为了生存下来,任何生活在太阳系的智能生命都需要迁移到其他恒星系。当然,人类也可以选择适应,但是白矮星并没有太多的光和能量。

到达其他恒星系要么需要非常高速的航天器,要么需要很长时间。对于已经生活在自给自足的太空居住地的人来说,让他们前往新目的地可能是自然而然的事情。他们需要能持续使用很长时间的能源和足够的物质来维持太空生活,并使太空居住地达到合理的速度,以完成数千年的星际旅程。

不过,最有可能到达其他恒星系的方法可能是借助微型纳米机器人飞船。与其用大量能源把巨大的星际飞船推到一个适中的速度,还不如用反射帆和强大的激光来发射高速的微型飞船。这些飞船体积虽小,但数量很多:如果一艘飞船不能完成任务,那就发送一千艘。它们还可以携带创造生命的基因元素——甚至是人类。一旦到达目标恒星系,它们就会降落在合适的小行星上,展开太阳能收集器,开采原材料并建造更多的机器人、太阳能收集器和工厂。最终,这些飞船可以建立新的居住地,供人们在其中生活。

很可能没有生物学意义上的人类会离开太阳系。从这一点上,我们可能会质疑,未来我们到底是作为人类,还是作为一个新物种在宇宙中传播?但如果我们的后代能在红巨星太阳下幸存下来的话,那他们很可能就生活在银河系的其他恒星系中。

问题4: 如何在恒星到达生命尽头时生存下来?

宇宙中恒星的形成已经达到了最高点,在未来的几百亿年内,宇宙将达到“恒星顶峰”。当明亮而短命的恒星燃烧殆尽时,会留下一大堆稳重而长寿的红矮星。它们可以发光上万亿年。但是,恒星的形成速度将会下降。在10到100万亿年后,甚至红矮星也会喷射并消失。为了生存,生命需要星光以外的能源。

实际上存在很多可能性:利用褐矮星和气态行星的氢进行核聚变;将物质倾倒到黑洞吸积盘中,收集释放出来的能量;甚至利用所谓的超辐射散射(又称为“黑洞炸弹”)直接利用黑洞的能量。无论如何,这都需要大规模的工程。那普通的核能呢?当中子星和超新星合并产生的新放射性同位素消失时,核裂变能量就会终止。当行星内部的同位素衰变并冷却下来时,地热能也会耗尽。

此时的“生命”或许也能适应低温和奇异的环境。人工智能和硅基生物可能会在接近绝对零度的环境中茁壮成长。随着恒星的消失,以碳基生命和智能生物很有可能会退回到舒适的虚拟世界中,这个虚拟世界比外部宇宙要大得多,也复杂得多。

如果人类在恒星到达生命尽头时幸存下来,那他们本身就将成为宇宙中最大的能量来源。

问题5: 如何在星系消失之后生存下来?

随机的恒星运动最终会导致星系溶解:恒星之间会不时地擦肩而过,并随机地改变速度。有时这会给恒星一个脱离星系的逃逸速度,使其消失在巨大的虚空中,同时导致星系的其他部分稍微压缩。最终,在大约1万亿年后,所有的星系都会分散或落入中央黑洞。在与黑洞的近距离接触中,围绕恒星的行星也会被抛出。

为了生存,智慧生命需要引导恒星进入长期稳定的轨道。听起来似乎不可思议,但这在物理学上是可能的!至少在当今时代,人们可以通过放置反射镜来推动恒星,此时恒星的辐射就像非常微弱的火箭发动机,让它们以可控的方式彼此擦肩而过。这类似于人类利用引力来帮助旅行者号探测器转向和加速,只不过规模更大。当这些恒星改变轨道时,它们可以被用来进一步推动彼此,进行有史以来规模最大的台球比赛。

这将需要在每颗恒星周围建造大型结构,并事先制定庞大的计划,每个恒星系所需要的物质总量大约相当于一颗较大的小行星,而且物理学相对简单。这个问题更多的是关于在十亿年的时间尺度上如何协调,对于已经处理了前述问题的人类来说,这可能只是一个日常计划。

问题6: 如何从物质的终结中幸存?

这里所说的物质是由质子、中子和电子组成的原子构成的。质子和电子通常被认为是完全稳定的(中子是通过质子来稳定的,其半衰期只有几分钟)。

然而,许多物理理论预测质子并不是真的稳定,而是会在极长的时间跨度内衰变。尽管物理学家已经进行了一些大胆的研究,但迄今为止还没有观察到质子衰变。不过,这仅仅告诉我们,如果衰变确实发生,需要数万亿年的时间。

这种衰变将意味着我们目前所知物质的终结。恒星和行星将慢慢变成辐射,加上自由电子和正电子,无法形成宜居系统。最后一颗冰冷的黑矮星将逐渐变成氦和氢晶体,在寂静中逐渐蒸发。剩下的就只有辐射和黑洞了,一个空荡荡的宇宙。

我们能绕过这一结局吗?正如艾萨克·阿西莫夫的短篇小说《最后的问题》(The Last Question)中那台伟大的电脑所说,“目前还没有足够的数据来给出一个有意义的答案。”(任天)

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