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天路多艰

已有 2076 次阅读 2021-5-3 00:16 |个人分类:下一次革命|系统分类:科普集锦

渺小的地球

1990年2月14日,旅行者一号在60亿公里外拍了一张地球的照片,如下图。图中,地球只是一个难以分辨的淡蓝色小点。照片中,地球的实际大小比一个像素还小。条纹是相机镜头反射阳光引起的。

60亿公里外看地球,只是一个难以看清的淡蓝色小点

在这个蓝色的小点上,发生过所有的重大事件,地月冲撞,生命诞生,多次大灭绝,气候大规模变化,很多次小行星撞击;所有的爱恨情仇,悲欢离合,英雄历史,国家兴亡,大灾大难,仅仅在太阳系中,就已经看不到了。对于宇宙深处的其它生命,地球存在不存在,根本没有影响。

地球在太阳系中,质量只有太阳的几十万分之一,是太阳系形成时剩下的一点残渣余砾。而太阳系,只是银河系边缘一颗不起眼的主序星,占银河系的几千亿分之一。银河系,也只是我们目前能看到宇宙的几千亿分之一。

根据我们现在的理解,地球已经存在了46亿年,大约是宇宙年龄的三分之一。多细胞生命在地球上存在了大约5亿年,人类只有约500万年,现代智人是20万年前出现的。人类可以查证的历史只有约5000年,现代科技文明勉强可以算200年。

无论空间,还是时间,我们目前的文明,跟整个宇宙相比,小得可以忽略。

如果宇宙是大爆炸产生的,地球诞生的智慧文明是不是也处在爆炸式发展的前夜呢?

骄气脆弱的生命

对于生命来说,宇宙存在的各种环境中,要么能量极高,温度极高,要么极冷。当前的宇宙学认为,宇宙由大约69%的暗能量与31%的物质构成,物质中80%是暗物质,所有我们能看到,感觉到的常规物质,即气体、尘埃、星球、星系等,仅占20%,也就是宇宙能量形式的6%。

而在这6%的物质中,99%以上以恒星,黑洞,等离子体等高能形式存在,常规固体,液体,气体等我们人类日常接触的物质形态,只有不到1%。甚至在这1%中,99.9999%以上也是无法触及的星球内部,大型气态行星等。可能不到万亿分之一的物质,人类勉强可以利用生存。而孕育并支持生命演化到智慧文明,条件还要苛刻得多。

至少地球的生命,基本构成是细胞,而细胞都是一个水袋子,里面有各种功能完善互补的有机分子。必须有合适的温度,让这些有机分子存在,并在有能量驱动的情况下,能够自我组织演化,复制自身。所以必须有水,有合适的温度,有碳氢有机分子,有能量流。然后还需要足够大的体量,需要稳定温和的环境,还需要适当的环境变化,才能促使生命不断演化,不能让演化停留在某个稳定模式,比如延续了几亿年的蓝藻时代,恐龙时代。即使演变成人类之后,仍然有很多模式是稳定的,不发展的。

如果需要自然演化,其它形式的生命,非常不可能。因为生命需要足够的多样性,足够的模式尝。以碳,氢,氧等轻元素为基础的有机化合物,在一定的温度范围内,存在巨大的模式多样性。在能量的驱动下,会出现各种组织结构,这些组织结构之间的竞争,合作,产生能繁衍的复杂生命形态。人们讨论的硅基化学生命,应该不可能,因为硅必须在高温下才可以自由组合,而那么高的温度下,星球会形成大的能量耗散模式,无法在分子层次形成足够多的复杂模式。能量驱动也必须发生在分子层次,比如光,ATP,等。硅基生命,物理和化学的原则都不支持。

低温下当然也不可能,首先是分子的活性被冻结了,其次一定没有足够的能量输入。

生命存在的条件苛刻,长期演化发展的条件苛刻,演化到智慧生命苛刻,智慧生命到智慧文明也没有保证。

从银河系来看,恒星密度最高的银河系中心位置是不合适的,因为各种对生命的毁灭性天文灾难太多,超星系,伽马暴,行星轨道不稳定,小行星撞击,……。旋臂位置也很危险,因为恒星密度高。恒星密度低,或者说物质密度低的位置也不合适。因为生命需要重元素,星球中就需要足够多的重元素在表面(因为大量能量来源只能是光,只有星球表面可以,其它能源只能阶段性维持低等生命),而重元素需要恒星合成。只有物质密度高的地方,才能合成足够的大质量恒星,产生足够数量的重元素。如果考虑星系之间的相互作用,银河系周围还有几十个矮星系不断围绕穿行,实在是很难找到合适的,让人安心的地方。

既有液态水海洋,又有富含重元素的陆地的星球表面也是不常见的,或者时间短暂的。如果质量不够,或者离恒星太近,作为轻元素的水会被剥离,就像水星和金星那样。质量大一点会有太厚的大气,水也可能全部掩盖陆地。地球的深海是生命沙漠,就是因为缺少部分重要的重元素,比如铁。

所以,很有可能,地球生命是很大范围内,比如全银河系,唯一的智慧生命。我们的文明,也是银河系唯一的智慧文明。如果银河系中已经有比我们领先——比如一百万年——的文明,他们应该已经在银河系中产生了让我们能注意到的迹象。对于银河系的寿命来说,一百万年只是一瞬间。我们进入太空还不到一百年。有理由相信,一万年,甚至一千年内,我们就有能力跨出太阳系,并且显著改变外太空看到的,太阳附近的辐射模式。其它智慧文明可以通过强大的望远镜注意到太阳辐射的变化,推断出,太阳已经出现了恒星级智慧文明。

宇宙中孕育生命的环境极度稀少,说明了生命极度娇气和脆弱。宇宙常见的温度范围从3开尔文(0.0003电子伏特)到几百万电子伏特,而生命只能在0.025—0.03电子伏特的温度范围内生存,演化。高等生物正常的生命过程,容许的温度变化不超过0.0005电子伏特。宇宙中的压强范围,从黑洞的几乎无限,到太空中的几乎为零,至少有50个数量级,人类能生存的气压不超过1个量级。星光辐射强度的变化也有几十个量级,生命能自然生存的地方,容许的辐射强度,小于一个量级。

既然生命如此脆弱,地球环境如此珍贵难得,那么迈向太空,人类将经历多少、什么样的艰难险阻呢?

天路多艰

地球上各种恰到好处的温和环境下生存繁衍的人类,走向太空之前,当然要准备好面对太空的各种挑战。

宇宙中无所不在的高能过程意味着各种高能辐射,包括高能粒子,伽马射线,X射线,等。

地球的大气恰到好处地屏蔽了来自宇宙空间的绝大多数高能辐射,保护地表上的脆弱生物,但也不太厚,以至于减弱地球绕太阳公转带来的季节效应。大气压也是我们这种生物化学水袋子可以稳定存在的物理条件。

生命迈入太空,必须解决温度,气压,辐射防护的问题。

只要不去太热的地方,温度相对容易解决。冷的地方可以保温。热的地方没有办法,比如金星地表。太空并不存在过热的问题,因为只要遮挡阳光,另一面就很冷。

气压的问题不容易解决,因为即使较低的要求,比如零点三个大气压,对应每平方米的压力仍然高达三吨。这是为什么空间站看起来都很窄小的原因。空间越大,为了维持结构稳定需要的壁越厚,即重量越大。大的空间不好在保证气密性的同时进行分隔。没有分隔,一旦发生泄露,极不安全。搭乘三名航天员的神州九号飞船内部空间仅有八立方米,也就是相当于边长两米的一个立方体,很多家庭的卫生间都比这大。几个人在这样一个封闭的,狭小的空间呆上几天,对心理也是一个考验。

在所有的天基人造结构中,引力可以忽略,无法依靠引力约束大气,只能密封加压,因此必然只有大量隔断的狭小空间。大量科幻作品中出现的圆筒型太空城市(奥尼尔圆柱,O'Neill cylinder),技术上有较大的难度。

奥尼尔圆柱形太空殖民点概念,难以处理气压问题

辐射防护只能依靠物质的厚度,跟大空间的气压维持要求有一致之处。所以,一定要设计成奥尼尔圆柱的话,一定要有厚重的壁,同时提供辐射防护,气压,和人造重力支持。需要消耗大量高强度结构材料,并且不可能做到大面积透明,直接采光。

星球世界相对要好一些。但是可用的星球很少,基本上只有金星和火星,而且都需要长时间花费大量资源改造。将其他星球改造成另外的地球,不仅选择太少,扩张的空间有限,也浪费星球本身的矿藏资源。

小一些的星球,如水星,月球,外行星大卫星,除了已有大气的土卫六,其它星球都无法建立足够的大气层。但是可以在地下生存,利用较厚的土壤或冰块,防护辐射,同时为地下封闭空间提供一定的压强。由于小质量星球重力较小,对地下结构提供的支持要求较低,因此可以建造比较大的地下空间。但是可以利用的深度有限。更深的区域,对支撑结构的要求较高,也难以承受结构失效带来的巨大风险。

大的气态行星,占据了太阳系除太阳之外,另外99%以上的物质,但是我们却无法降落,无法利用,只是勉强可以探测。如果考虑其它恒星系统,非常多的行星,即使我们可以到达附近,也无法降落,比如任何大质量行星,无论是气态的,还是岩石的,下去了就上不来,而且这些行星还会越变越大。

除了维持基本的生存环境,太空还有更多地面环境不存在的风险,比如高速宇宙尘埃问题,也就是微流星。微流星大小不一,但是相对运动速度都非常高,一般在10公里每秒量级,较小的航天器难以承受微流星的撞击。

随着航天活动的增加,太空垃圾的问题也会越来越大。如果不有效干预,太空垃圾的问题会自然越来越严重,因为他们之间还会互相碰撞,造成更多的太空垃圾。干预非常困难。太空是微重力环境,任何垃圾,碎片,会在太空长时间停留,沿自己的轨道长期运行。它们运行的空间,显然是我们以后要经常经过的。也就是说,以前留下的太空垃圾,对后来的太空任务威胁最大。

如果我们真的要建设像戴森球那样的巨大结构,要注意到这种结构是引力不稳定的,需要复杂的维持系统。否则,结构之间的相互冲突,后果很严重。

当结构越来越大,占据的空间越来越多,来自不规则轨道小天体的威胁就越来越大。这种小天体数量巨大,难以跟踪和预防,相对速度极高,一旦撞击大型人造结构,造成的伤害非常严重。如果有较大的天体闯入大型人工结构群,即使提前侦测到了,也很难及时采取措施,从而发生重大灾难,不仅给人类文明带来重大伤害,还会留下天量的巨大的太空垃圾,严重影响以后很长时间的太空开发。

在太空,没有大气和引力保护的情况下,人造结构随时都在遭受阳光中的高能粒子和宇宙射线的轰击,表面会不断蒸发(溅射),然后被太阳风吹走。现在的水星就在经历这一过程。我们建设大型空间结构,显然希望有很长的使用时间,而不是只有几十年或者几百年。大量大型空间结构的蒸发,泄漏,太空垃圾,很可能大规模改变太阳系的空间环境,发生类似于地球全球变暖这样的大尺度污染过程。空间布满大量气体和垃圾,可能会影响太阳系所有天体的运行轨道,以及大型人造结构的轨道稳定性,从而发生难以预料的灾难后果。

为了更方便利用太阳能,同时减轻外层未知小天体的影响,也可以将太空垃圾的位置限制在轨道能量低的太阳附近,戴森球之类的大型人造结构,应该建在水星轨道内侧。但是这样的话,太阳日冕活动的影响就会很严重,而且因为距离近,也难以及时采取措施应对。

在地球附近建设的大型结构,如果出现意外,可能危及地球。到目前为止人造太空结构都很小,最大的国际空间站也只有400多吨,即使坠入地球,也会被地球大气摧毁殆尽。但是如果我们建设了大型结构,重达数万甚至数亿吨,不慎落入地球就会造成巨大灾难。任何两个人造大型结构之间的碰撞,同样是巨大的灾难。

太空开发之后,还会出现新的反人类犯罪形式,比如利用小行星攻击地球,或者利用更小的岩石,彗星,攻击地球上的核电站。

在古人看来,地球这个世界已经足够巨大,但对于利用光纤和电磁波互联的现代人类,地球是一个紧密关联的微小空间。地球上任何两个人之间都可以发生即时的亲密互动。但是一旦发展到太空,这种紧密互联就没有了。当光都需要几个小时甚至几天才能到达,光纤这样的宽带联系不再可能,太空中星球之间的遥远物理距离,就会将不同位置的星球或者人造结构隔离开,形成一个个独立的世界。每个世界与其它世界的关联有限。这种隔离会带来不同世界的政治独立。独立的政治实体之间,有可能发生利益冲突,争夺能源,争夺矿藏,争夺轨道空间,最后发展为物理冲突。也许几千几万年之后,人们讨论的外星人入侵,并不是来自太阳系之外的其它智慧文明,而是我们自己制造的其它星球文明。就像现在地球上的人类,本来全部来自同一个小的部落,在相互隔离,分别发展之后,但却互相仇视,互相屠杀了几万年。谁又知道,现在地球上的生命,与可能与我们发生冲突的外星文明,有没有同样的起源呢?

如此等等,太阳系开发必将遇到各种困难和挫折,巨大的伤害,亦或是灭顶之灾。那么,我们是不是还应该开发太空呢?或者是,像有些人建议的那样,永远不要离开地球母亲,与自然和谐共处?我们在第二章“为什么要发展II型文明”中,列举了发展为恒星文明的重要性、必要性和好处,上面又说了各种问题。那么,我们究竟应该怎么做呢?下面讨论一些常见的反对观点。

反对观点讨论

观点一:宇宙是个黑森林,不要去招惹外星文明。

物理学家史蒂文·霍金,还有一些科幻作品,表达过类似的观点。这一观点隐含了两个假定。第一个假定是,外星智慧文明是邪恶的,敌对的,他们会摧毁别的智慧文明。第二个假定是,如果我们不去招惹他们,他们就不会发现我们。

第一个假定是否成立,需要讨论。人们经常把西方人进入美洲作为例子,说明高等文明会摧毁原始文明。但是美洲的本土人类并没有灭绝,他们现在的生活显然比过去更有保障,食品更丰富,寿命更长。所以有可能,即使我们和外星文明发生冲突,最后的结果却是,我们的技术提高更快,与外星文明和谐共存。大家都共同成为星系级智慧文明的一部分。

而第二个假定显然是不成立的。即使在黑森林里,动物如果不出去觅食,别的天敌就找不到你吗?地球上只要出现了生命,就会向全宇宙发送出明确的信号。早在人类出现以前,信号就已经发出了,其他智慧文明当然会注意到。就像我们现在通过同样的技术手段探测外星文明,外星生命一样。比哈勃望远镜强大100倍的詹姆斯韦伯望远镜,今年就会升空。我们没有理由不相信,比詹姆斯韦伯望远镜更强大100倍的望远镜,在未来的几十年内会出现。也许我们能很快直接观测太阳系外的行星。如果有生命,或者智慧文明,的迹象,我们应该能发现。在这种情况下,如果我们提前开发太空,形成更强大的生存能力,控制更多的资源,至少还有抗争的机会和讨价还价的能力,如果蜗居不动,而且外星文明是敌意的,不是等死吗?

观点二:为什么不用开发太空的资金消灭贫困,改造沙漠?

消灭贫困,改造沙漠,与开发太空,并不是不是互相排斥的关系,而是全面发展,互相协助的关系。现代人类社会是一个综合体,需要多方面发展,同时解决多方面的问题。太空开发形成的技术,形成的财富和能力,能够帮助消灭贫困,改造沙漠,或者说,帮助解决能源,食品不足,以及生态环境的问题。

反过来说,如果贫困问题还没有解决,我们是不是什么都不能干呢?修高速公路?为什么不把钱用来解决贫困?引进技术?为什么要把钱给外国人?为什么不解决本国的贫困?

而沙漠不一定需要改造。沙漠虽然贫瘠,却是地球自然环境的一部分,同其它部分也有千丝万缕的联系。比如撒哈拉沙漠的沙尘暴是大西洋和非洲,甚至亚马逊热带雨林营养元素补充的来源。撒哈拉沙漠改造了,可能引起热带雨林和海洋退化,这是我们需要的吗?

这种观点是典型的短视。早几十年,为了提高上学率,就要耐心说服很多人,为什么应该送孩子上学。在当时那些人看来,孩子上学,家里少了人一个干活,还要额外花钱,人看不到,不免惦记,而且还会不听话了。难道我们就应该听他们的,不让孩子上学吗?上学让孩子学知识,给他们更大的视野,也给他们更多机会的可能,就像开发太空那样。

观点三:太空开发是星球大战式的忽悠,是敌对势力妄图拖垮我们的阴谋。

这种观点首先是一种与发达国家你死我活的零和思维。即使承认这一前提,该观点也有如下误区:1、拖垮不拖垮要看基础工业能力。中国现在的基础工业能力世界第一,很多指标几乎达到全球其它国家的总和,谁能拖垮谁?2、南非人马斯克拿自己的身家性命去拖垮一个大国?资本主义自由派觉悟太高了吧?3、前苏联是星球大战拖垮的,还是自己垮掉的?没有星球大战,它就不会垮吗?切尔诺贝利也不会发生?4、前苏联为什么要和美国太空竞赛?因为太空重要。现在太空就不重要了吗?

观点四:太空开发费力费钱,让别人先上,先去吃亏,先栽跟斗。等到技术成熟,证明可行之后,我们再弯道超车,后来居上。

首先,这是一种不想下苦功,没有担当,只想占便宜,挣快钱,依赖别人,利用别人的投机者心态,不是一个正派的、负责任的人应该有的心态。作为人类文明的继承者,探索未知,开拓边疆,是每个人的责任。太空开发为人类开拓新疆界,已经有相当实力和强大基础工业能力的国家当仁不让。其次,一步先,步步先,哪有那么容易后来居上?目前,太空开发已经形成洪流,不仅像以色列,阿联酋这样的小国都已经积极参与,民间资本也已经大规模投入。开发太空最佳的轨道空间,最好的初始开发地点,关键的技术都被别人占据或者拥有了,后来者怎么居上?德国是西方殖民运动的后来者,为了后来居上,发动了两次世界大战,然后居上了吗?

结语

太空开发并不是因为它容易,是一个人人抢着要的便宜,而是因为它是必须,是生命和文明发展必然走的下一步。无论任何个人同意不同意,喜欢不喜欢,人类都将走向太空。人类也将遭遇太空开发的种种烦恼,甚至受到严重伤害,但是整体的生存能力一定会大大提高,也会发展到更广阔的空间。

至于太空开发遇到的种种困难,需要我们理性地、平和地解决,或者提前预防。比如轨道空间的分配,太空资源的分配,太空垃圾问题,遥远空间人类社会与地球人类社会的政治关系,共同发展战略,等等。无论是技术的,还是社会的问题,都可以找到可行的解决方案。我们目前的技术,智慧和觉悟,应该都还存在差距。相信随着太空开发的继续,人类文明也会更成熟,能从容应对任何困难。




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