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科学技术的极限

已有 725 次阅读 2021-5-18 00:36 |个人分类:下一次革命|系统分类:科普集锦

有限的宇宙

广阔无垠的宇宙,让我们充满遐想,无限憧憬。我们心潮澎湃地规划自己的无限人生。但是,如果宇宙有一个极限,是有限的,我们对未来也许没有那么乐观。

根据我们现在对宇宙的认识,宇宙本身虽然可能是无限的,我们能认识的宇宙却是有限的,而我们能接触能到达的宇宙,还要小得多。

由于宇宙的加速膨胀,目前我们能看到的最远的星系,远离我们的速度已经超过光速,所以我们永远也不可能走过去。事实上,如果我们现在以光速出发,能到达的宇宙,只有我们看见的宇宙的4%。而如果我们只能以更现实一点的速度,比方说,1%的光速,也就是3000公里每秒的速度星际旅行,即使现在出发,我们能到达的宇宙,只有能看得见宇宙的一亿分之一左右,只有几千个星系。如果更现实一点,考虑到星系团结构和星际开发性航行的速度限制,我们大概只能访问本星系团(Local Group),也就是只有大约50个星系。

从广阔无垠的宇宙到几十个星系,造物主真是在跟我们开玩笑。宇宙的空间有限,时间也是有限的。或者说,虽然宇宙可能无限存在,但是后面只是死亡,智慧文明无法存在。宇宙会缓慢地衰老,死亡。

宇宙的空间有限也意味着资源有限,包括能源和物质。如果我们现在对宇宙的认识比较正确,宇宙中该诞生的恒星已经完成94%了,以后不会有多少新的恒星诞生了。每颗恒星的寿命是有限的,最长也就是1万亿年。但是,几百亿年之后,宇宙中明亮的恒星都已经消亡殆尽,只剩下很多红矮星发出暗淡的光芒,以及一些难以寻找的,偶尔出现的明亮恒星。

一定要苟延残喘的话,智慧文明也许能存在100万亿年左右。但是未来会越来越黯淡,越来越令人绝望。

当然,也许我们现在对于宇宙未来命运的认识是不正确的。车到山前必有路,柳暗花明又一村。宇宙学才发展了几十年,我们怎么可以如此自负地认为,我们已经看透了宇宙的生死呢?

就算我们真的只有100万亿年的寿命,作为智慧文明的人类,出现还没有超过20万年,建立文明只有1万年的时间。我们也刚刚开始走出孕育自己的星球,迈向太空,至少还有几百亿年可以过得很好。让我们去好奇,去开拓,去困惑,去经历惊心动魄的大发展吧。

科学的极限

文艺复兴以来,科学技术快速发展。人类充分认识了自己所处的世界,发展出大量只有神话传说中才有,甚至超出的技术和应用。人类因此自信心爆棚,相信自己已经成为新的神,同时对未来充满期待。

的确,在过去几百年,甚至几十年中,科学技术突飞猛进。核技术,激光,超导,互联网,机器人,人工智能,航空航天,智慧农业,基因技术,生物医药,纳米技术,……。但是,无论是科学还是技术,是不是会有一个极限呢?我们距离极限还有多远?

我们的认知极限,就是我们所处的宇宙了。可是,我们已经发现宇宙是有限的。那么我们的科学知识呢?自相对论与量子力学在上世纪初诞生以来,我们的认识大爆炸,似乎已经彻底了解了宇宙各种事物的基本原理。就算我们现在还没有得到最终的理论,但似乎也不太远了。而且我们也几乎可以确定,即使我们最终得到了万物理论( Theory of Everything, TOE),它也不会给我们多少惊奇。也就是说,我们已经非常逼近物理学的极限了。但是极限究竟是什么呢?万物理论?还是一些相互竞争的理论?物理学家们无法统一认识?也许,最终人们的认识是,不存在万物理论。我们无法准确地,完全地,描述我们的世界。

当然,这是完全可能的。首先,我们的认识有限,我们不知道视界之外的宇宙是什么样的,包括远处和黑洞。我们也无法探索无限微小的世界。而有些矛盾的、不相容的认知出发点,却可以得到相同的结论,或者各有胜负,谁也无法说服谁。

数学里面有一个哥德尔不完备定理,大意是,在任何一个形式逻辑系统中,必然存在既不能证明,也不能证伪的命题。科学必然用形式逻辑系统表达,所以必然存在一些科学论断,既不能被证明,也不能被证伪。我们一般也认可,不存在绝对真理。如果万物理论被发现了,它是不是就是绝对真理呢?或者说,它原则上不应该出现呢?

我们也认可,随着认识的加深,重复,检验,我们的认识应该越来越逼近真理。但是真理也不需要是明确的、单一的理论。或者说,我们永远也无法得到一个明确的、单一的、无所不包的科学理论。

如果科学的确有极限,当我们快接近极限的时候,科学的进步就会非常缓慢,或者说停滞不前。而这是必然,跟我们是否努力无关。

技术极限

技术也是一样。科学认识的发展在将为技术设定各种极限。比如材料的性能,能量利用的效率,通讯带宽,人类生存空间的舒适程度,星际旅行的速度,能到达宇宙的大小,对星际灾难的承受能力,等等。

在大航天以及各种未来技术开发中,我们将遇到更多的现实极限,下面讨论一些具体技术。

计算能力:信息革命以来,我们一直在享受着电子技术的指数发展速度。我们有各种各样的摩尔定律,也就是性能随时间指数增长。虽然摩尔定律维持了很多年,但总有失效的时候。关于时钟频率的摩尔定律,早在本世纪初就已经失效了。温切斯特硬盘存储量和性能的摩尔定律也已经失效,还有数码相机的分辨率和处理能力,等等。虽然晶体管密度和电路线宽还在发展,但是过不了多久也会遭遇物理极限。20年之后,硅基半导体技术的性能应该不会有明显的提升。再往后,发展会更缓慢。即使新的技术出现,比如碳基芯片,仍然会有新的技术极限。而且碳基之后,已经没有别的可能了。已经传说了近50年的生物计算机和量子计算机,并没有出现。以后也许会出现,但是恐怕只能成为现有电子信息系统的辅助,而不会引起现有信息技术的变革。过去50年电子技术的迅猛发展,再过50年,也许会全面停滞。甚至连软件应用,都可能穷尽。那个时候,就像宇宙中94%的恒星已经诞生,革命性的新技术新应用会变得非常少见。

人工智能:人工智能应用,现在是还处于技术爆发初期。人工智能已经学会了最复杂的棋类游戏,已经能识别图像,能够用自然语言对话,能够诊断疾病,会开车,能够自主执行太空任务,很多单项能力已经超越了人类。更多的人工智能应用正在开发和推广之中。我们可以相信,再过几十年,我们身边所有的电子设备都是智能的。我们可以少学很多东西,然而却更有能力,更自信。但是人工智能也会有极限,会引起争议。他们可能建议你吃健康的食物,维持健康的生活习惯,与人群维持健康的沟通,但是你不愿意。你不愿被指挥,你要率性,你偏偏不听机器人助手的话。机器人保姆承担了带孩子的所有繁琐和辛苦,并且给了孩子最好的陪伴和教育,但你会觉得它影响了你和孩子的亲情,动摇了自己的权威。如果机器人很“懂事”,你可能事后又会怪它没有给你足够的提醒。人工智能并不能保证所有的决策100%正确。它也未必有足够的信息。你依赖它,也可能出错。如果它跟你分析利弊,让你自己决定,你又会嫌烦。

人工智能卷积计算中,输出函数不一定收敛,或者只能收敛到一定大小,比如百分之几。识别错误率无法再降低,更多的训练也无法改进。虽然已经超过人类,但是仍然有百分之几的错误率。如何信任它对重要决策的判断?重要公共决策应该由人工智能作出吗?人类自己的决策可能更不可信。人工智能只负责提出建议,决策由人类投票作出?人类受不理性因素影响怎么办?

星际旅行速度:我们虽然讨论过可以将星际旅行提到很高速度的技术,但是考虑到星际飞船需要穿越的距离和花费的时间,以及路途不可预测的各种可能遭遇,为了安全,或者仅仅为了能停下来,星际旅行速度实际上有很大的限制。由于星际旅行一般无法回头,为了能够直接开发别的恒星周边,飞船必须携带足够的人员物资,因此体量会很大。又因为远离恒星,能源有限,飞船难以机动。如果飞船运行速度很大,遭遇撞击任何一颗微小尘埃,都会给飞船带来很大的危险。假如飞船的运行速度为1000公里每秒,撞到一颗一克重的尘埃,撞击释放的能量相当于一枚100多公斤重的大炸弹。如果希望实现10秒的预警,就必须在1万公里外发现这粒一克重的尘埃,如果发现更大一点的陨石或者彗星,完全没有办法规避。所以飞船只能以较慢的速度前进。那么快的飞行速度,到了目的地以后也没有办法停下来。从这一角度考虑,执行开发任务的飞船运行速度可能不会超过300公里每秒,也就是光速的1‰。即使执行飞跃型探测任务,探测器的速度恐怕也很难达到3000公里每秒。

材料性能:由元素和化合物构成的物质,其机械强度及其他性质由其化学构成决定。不同化学构成的材料,各种性能还与温度等环境参数有关。比如一般来说,温度太低,材料会变脆,而温度升高,材料所有机械性能都下降。我们在用材料建设各种太空大型结构的时候,主要需要材料的力学、机械性能。材料性能决定了我们能建设多大,多高,多强的结构或装置。由化学元素构成的所有材料都有相应的性能极限。这些极限,虽然远大于一般材料的强度参数,但对于天文尺度的结构或者装置,仍然太小了,所以我们并不能随心所欲地设计巨大结构。比如太空电梯,天机索,戴森球,奥尼尔圆筒,星球地表及地下结构,等。如果考虑要预留安全冗余,条件变化,可利用的材料极限性能还要大打折扣。

高温与辐射:高温与高能辐射在太空中无所不在。所有材料都不能承受高温和辐射的损害,构成人体的有机分子尤其脆弱。芯片,光纤,存储设备等,现代信息系统的硬件基础,在高温和辐射面前也会很快失效。高能辐射会缓慢伤害所有的材料,因此在辐射环境中使用的所有材料都有使用期限。我们建设的巨型太空结构,需要定期维护更换。而人类生存的环境,包括电子设备和数据保存环境,都必须隔绝辐射,并且维持在一个很窄的温度范围内。

永生:考虑到技术存在各种各样的极限,永生也许永远都不可能。我们可能无法将人类意识上传为电子信息,因为无法完全读取一个大脑的所有信息。自我意识可能无法复制。但是我们也许可以维持一个大脑一直健康生存下去,前提是大脑不受严重意外伤害。所以人仍然会有死亡。仍然需要体验和经历塑造一个人,甚至生长也需要很长的时间,而不是可以随时更换新的身体。

通讯带宽:人类社会的关联性体现为信息沟通和物质交换。但是太空文明不同区域之间的物质交换和信息沟通都非常困难。目前地球上架设的光纤网络和5G通讯,可以实现任意通讯端之间的高速互联,通讯带宽可以超过每秒1亿字节。但是星球之间的远距离通讯,带宽非常窄。目前地球到火星的通讯带宽只有每秒几千到几万字节,而到旅行者1号只有每秒几个字节。距离越远,通讯时间越长,带宽越窄。如果我们要发射到比邻星开发的飞船,即使用非常强大的天线,我们也基本上没有办法保持联系。我们向任何方向发射探索飞船,都需要连续不停地向该方向发射信号中继飞船,才能保持微弱的联系。如果要到最近的恒星,也许需要连续发射数千艘信号中继航天器。一旦停止发射,我们就会永远地和最初的飞船失去联系。即使维持微弱的联系,也很难沟通,因为信号延迟有很多年。

其它的限制还有,巨型结构的困难,操作微小尺度的极限,保存数据量和访问带宽的限制,等等。以后未必不会出现新的突破,但是,正如该诞生的恒星差不多都已经诞生了一样,该出现的突破,至少我们应该差不多都能预计到了。我们可能会走到一个科学技术平台期,停滞期,而这段时间会很长。对于从知识爆炸时代过来的我们,可能很难想像。但是,这一天总会到来的。其实,这样也会有好处。那就是,对于休眠很长时间后醒来的我们,并不需要接受很长时间的知识更新。




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2 周忠浩 农绍庄

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