如果太阳耗尽所有氢能源，地球生命将如何生存？人类能否在宇宙中找到新家园？前景似乎暗淡：目前的观测结果显示，宇宙似乎将永远膨胀。这意味着物质与能量的密度将越来越小，采集能量会越来越难，到那时，生命体只能到黑洞、宇宙弦中去寻找能量。
撰文 | 劳伦·克劳斯（Lawrence Krauss）
格伦·斯达克曼（Glenn Starkman）
翻译 | 施建荣
太阳最终会消耗完它的氢能源，到时我们所知道的所有地球生命都将终结，除了人类将能延续。我们的后裔必将面临死亡和灾害，痛苦和担忧也许永远不会消失，但很有可能，他们中的一部分会找到新家，分散到宇宙各个角落，继续生活下去，就像地球生物分布在所有适合居住的地方一样。
结局也可能不是这样。尽管科学家还不能完全理解生命的本质和宇宙的演化，但他们仍可以对生命的结局做出有根据的推测。目前宇宙学的观测表明：宇宙将永远膨胀下去，而不是如科学家先前认为的那样，先膨胀到一个极大值，然后再收缩。所以，人类不会在宇宙的猛烈收缩下被压成碎片，人类文明也不会像以前想的那样，会随着宇宙收缩而全部付之一炬。看起来，永恒膨胀对生命来说似乎是一件好事。那么，有什么东西能阻止一种足够聪明、能不断找到资源的生命永远存在下去呢？
无尽的永恒 无尽的荒野
生命的繁荣依赖能量和信息，最基本的科学原理显示，即使在一个无穷的周期中，人类也只能获取有限的能量和信息。为了生命的延续，我们必须面对逐渐减少的能源和有限的信息。可以肯定，在这种情形下，不可能永远存在有意识的生物。
在过去的一个世纪内，未来学家们徘徊在乐观主义和悲观主义之间。在达尔文充满信心的预言后不久，科学家又开始为“热寂”（heat death）烦恼，因为在这种情况下，整个宇宙将达到一个相同的温度，并将不再变化。20世纪20年代发现的宇宙膨胀的事实，减缓了这一担忧。因为膨胀将阻止宇宙达到“热寂”平衡状态。
但是，很少有宇宙学家思考，宇宙的永恒膨胀会对生物造成什么影响。直到1979年，美国普林斯顿高等研究院的弗里曼·戴森（Freeman Dyson）发表了有关宇宙永恒膨胀对生物的影响的经典论文。戴森的想法来源于早期贾马尔·伊斯兰（Jamal Islam）的研究。自戴森的文章发表以后，物理学家和天文学家们会不时重新考虑这个问题。1998年的观测表明：我们将有一个与早先设想完全不同的、更长远的未来。受此启发，我们开始学会换一个角度来看待这个问题。
能量收集策略：美国加州理工学院的物理学家史蒂文· 弗拉茨基（Steven Frautschi）用图说明，大约10^100年以后，生存将变得如此困难。在众多的宇宙事件中，随着宇宙膨胀，任意参考球内（蓝色球）的多样性能源也将膨胀，且越来越多的部分变得可见（红色球）。一个高度进化的文明可以把黑洞王国（绿色球）掠夺的物质转化为能量。但是当这个王国变大时，获取新领地的代价就会增大，征服的速度很难赶得上物质变得稀疏的速度。事实上，物质变得如此弥散，以至于这个文明无法造一个足够大的黑洞来收集它们。
在过去的一百多亿年内，宇宙经历了许多阶段。对宇宙早期，科学家已经掌握了足够多的观测事实，知道那是难以想象的高温和高密度。从那以后，宇宙开始膨胀和降温。此后数十万年，辐射开始占主导，目前大家知道的微波背景辐射就是那个时代的遗迹。接下来，物质开始占主导，渐渐地聚集成大的天体结构。如果目前的观测是正确的，那么我们的宇宙正开始加速膨胀。这暗示着，一种奇怪的、可能产生于宇宙空间本身的新能量开始占主导。
生命已经习惯了依赖恒星，但恒星不可避免要死亡，而且从大约100亿年前开始，它们的诞生率就在显著下降。大约100万亿年后，通常意义上的恒星将不复存在，一个新的时代将出现。一些目前慢得不被人注意的过程，将变得很重要：如由于恒星近距离相遇而引起的行星系统扩散、普通和奇异物质可能的衰变、黑洞的缓慢蒸发等。
假如智慧生命能适应周围环境的变化，他们将面临何种根本限制呢？在一个可能无穷大的永恒宇宙中，人们可能希望，一个足够发达的文明能采集到无穷无尽的物质、能量和信息。但令人意外的是，事实并不如此。即使通过长时间努力和精心设计，生命体也只能采集一定数量的物质、能量和信息。而让我们感到沮丧的是，微粒、尔格（erg，能量单位）和比特（bit）的数目可能是无限的，所以这种失败不是因为缺少资源，而在于采集它们很困难。
造成这种困境的元凶，恰恰是让生命可以永久存在的因素：宇宙膨胀。当宇宙膨胀时，一般能源的平均能量密度会下降。宇宙的半径增大一倍，原子的密度将下降8倍。对光波来说，这种下降更为严重。它们的能量密度将下降到原来的十六分之一，因为膨胀使波长变长，从而削弱了它们的能量。
宇宙膨胀对不同形式能源产生的稀释作用有所不同。普通物质（橙色）以正比于体积的形式下降，而微波背景辐射（紫色）则下降得更快，这是因为，光波将被延长至微波或更长的波段。而由宇宙常数决定的能量（蓝色），至少从目前的理论来看，将不受影响。
由于严重“稀释”，使得能源的收集变得越来越麻烦。智慧生命有两种选择：让物质自己靠过来，或者主动把它们找出来。
对前者而言，从长远的角度，最好的办法是让万有引力来完成。在所有的自然力中，只有万有引力和电磁力能把任意远处的物体吸引过来。但电磁力通常会被屏蔽掉。原因在于电荷相反的带电粒子会相互作用达到电荷平衡，所以普通物体是电中性的，不受长程的电力和磁力的影响。而引力则相反，是无法屏蔽的，因为物质和辐射粒子只会通过引力吸引，不会相互抵消。
天定胜人？
即使是引力，也必须与膨胀的宇宙斗争，因为膨胀会拉开物体间的距离，从而削弱它们之间的引力。除了下述一种特殊情况以外，引力最终还是无法把大量物质聚集在一起。事实上，我们的宇宙可能早已过了这个点——星系团也许就是由引力束缚在一起的、最大的物质团体。
仅有的例外只能出现在膨胀和收缩达到平衡时，在这种情况下，引力能永远不停地积聚大量物质。但是，这一设想与目前的观测事实相悖。即使真能这样，也还是行不通：因为这样的话，大约1033年以后，我们周围的物质将变得非常密集，使得它们中的大部分将塌缩到黑洞里。在黑洞里面，情况可不乐观。地球上，我们常说条条大路通罗马，而在黑洞内，所有物质都会在有限的时间内到达共同的终点——黑洞的中心，在那里，死亡和解体是注定的结果。
悲哀的是，主动寻找能源的策略也不比被动方式好。宇宙膨胀减弱了动能，因此，勘探者只能挥霍现有能源以保持他们的速度。即使在最乐观的情况下——所有的能量都以光速移向到黑洞，并且毫无损失地被收集起来，人类想要获取无限的能量，只能在黑洞里或者在黑洞附近。1982年，美国加州理工学院的史蒂文·弗洛茨基（Steven Frautschi）研究了这一可能性。他推断，可从黑洞获得的能量将迅速减少，而为收集能量所耗费的那部分能量，却不怎么减少。最近，我们重新检验了这种可能性，结果发现情况比弗洛茨基预想的还要糟糕：一个可以永远聚集能量的黑洞，可能比我们目前可见的宇宙部分还要大。
对一个正在加速膨胀的宇宙来说，由于宇宙膨胀导致的能量稀释，是很可怕的。目前可见的所有远处天体最终将以超光速远离我们，从我们的视界中消失。我们可以使用的总资源，最多也只能在目前所能看到的范围内获得。
宇宙是减速膨胀（上图系列）还是加速膨胀（下图系列），结果很不一样。在这两种情况下，宇宙都是无限的，但是宇宙由参考球到特定星系的那部分（蓝色球）将膨胀。人类只能看到他们周围有限的宇宙空间，当光信号有时间传播（红色球）时，这一空间将稳定增加。如果膨胀是减速的，我们看到的宇宙将会增加，越来越多的星系将充满空间。但是，如果膨胀是加速的，我们能看到的宇宙将变少，仿佛眼前的星空被清扫一空。
不过，不是所有的能量都会遭到“稀释”。例如，宇宙可能充斥着宇宙弦组成的网络，它们无穷长而细，但集中了能量，可能是由于宇宙早期的不均衡冷却形成。在宇宙膨胀的过程中，单位长度的宇宙弦能量是不变的。智慧生命可以砍断一根，然后聚集在松散的切口一端，开始使用它的能量。如果宇宙弦网络是无穷无尽的，智慧生命的能量需求就可以得到永久性的满足。但问题是，如果生物能做到，那么大自然的机制同样能做到。如果一个文明能找到一种切断宇宙弦的方法，宇宙弦网络很可能由此解体。例如，黑洞可能自发地出现在宇宙弦上，并吞噬它们。因此，人类只能消耗有限数量的弦，而不可能到达弦的另一端。 最终整个宇宙弦网络会全部消失，留下缺少能量的文明独自存在。
能不能开采量子真空能呢？别忘了，宇宙膨胀可能是被宇宙常数（一种不随宇宙膨胀而变化的能量）驱动的。如果真是这样，真空中将充满一种形式奇特的辐射，被称为吉本斯－霍金辐射（Gibbons-Hawking radiation）或德西特辐射（de Sitter radiation）。可惜的是，我们不能从这种辐射中获取能量做有用的事情。如果量子真空能损失能量，它将降低到更低的能态，但是真空早就在最低能态了。
不管我们变得如何聪明，不管宇宙有多么合作，总有一天，我们将面临能源耗尽。在那种情况下，我们还有其他途径实现生命的永恒吗？
一个很明显的策略是消耗更少的能量，戴森首先提出了定量消耗的方案。为了减少能量损耗，保持低消耗，我们最后将采用降低自己体温的方法。同时，考虑改变人类的基因，使人体可以在低于310 K（37℃）的温度下正常运转。然而，人类的体温是不能随意降低的，血液的凝固点有确定的下限。也许最终，我们将不得不完全放弃我们的身体。
从未来主义的角度看，放弃躯体没有根本上的困难。我们只须假定意识没必要依赖于特定形式的有机分子，而能以多种不同的形式体现，比如，电子人和有感觉的星际云。大多数现代哲学家和认知科学家认为，像理性思维这样的过程可以由计算机来完成。详细的细节我们就不在这儿讨论了。我们还有很多亿年去设计新的“身体”，将来可以把我们的意识移植到新“身体”里。这些新“身体”可以在更冷的温度下工作，而且有更低的新陈代谢率，从而降低能量消耗。
戴森指出，当宇宙逐渐变冷时，如果生物体能降低新陈代谢率，就可以设法在无限长的进化历程中只消耗一定数量的能量。尽管温度的降低意味着思考速度（每秒钟考虑的次数）减慢，但从理论上来说，这样的思考速度还是足以保证我们的思考总次数不受限制。总而言之，智慧生命将永远生存下去，不论是在绝对时间还是在主观时间上。只要能保证生物有无尽的思维，他们才不会在乎生活节奏变慢。如果在你的前面还有数十亿年，为什么要那么匆忙呢？
初看起来，这是个节省体力的好主意。但数学上的无穷是挑战直觉的。戴森说，对一个生物而言，要保持相同程度的复杂性，它处理信息的速度应正比于体温，而能量的消耗应正比于温度的平方（另一个温度因子来源于热力学）。因此，能量需求减少的程度要大于思考速度的降低。在310 K（37℃）时，人的身体每秒大约消耗100焦耳的能量，而在155 K（-118℃）时，一个同样复杂的生物的思维速度降到一半，但耗费的能量会降到原来的四分之一。这个“交易”是可以接受的，因为周围环境中的物理过程也会以相同的速率减慢。
有限能源下的永恒生命？如果新生命能降低自己的体温到至310K（37℃）以下，他将消耗更少的能量，代价则是减慢了思维。由于新陈代谢率比思维速度下降得快，生命可以设计成这样的形式——利用有限的能源，拥有无限的思想。有一点要提醒的是，生命体散热的能力也会下降，这将阻止他进一步将体温下降到10^(-13)K以下。
以休眠换永生
遗憾的是，这里存在一个陷阱。如果不对一个物体加热，它的大部分能量将以热辐射的方式损耗掉，比如人的皮肤就会辐射红外线。在很低的温度下，最节能的辐射物是稀薄的电子气。然而，即使这样的最佳辐射效率——能量消耗正比于温度的立方，耗能的速率还是要比新陈代谢率快。当生物体的温度不能再下降时，就会出现一个转折点——从那时起，他们将不得不减少自己的高级功能，变得比较低能。不久以后，他们将不再是智慧生命。
对于弱者来说，结局似乎已经注定。不过，为了应对损失能量这个问题，戴森大胆设计了一种休眠策略，有机体只需要在一小部分时间内保持清醒。在休眠过程中，有机体的新陈代谢率将降低，但至关重要的是，它们可以继续散发热量。这样，有机体的平均体温就可以更低。事实上，通过不断增加休眠时间，有机体可以消耗有限的能量，永远存在，思考次数也不会受到限制。戴森断定：永恒生命确实是可能的！
休眠可能会解决能量消耗这个问题。当生命进入降温模式时，将用更多的时间休眠，从而进一步减少新陈代谢和思维的平均速度。此时，消耗的能量低于最大热量损失率，同时还允许拥有无穷的思想。但是，这样的设计有其他问题，比如说与量子极限可能有冲突。
但是，许多科学家对戴森的计划提出了质疑，指出了其中难以实现的地方。首先，戴森假定外层空间的平均温度（现在是2.7K）是由微波背景辐射决定的，将随着宇宙的膨胀永远下降，因此，生物可以永远降低他们的温度。但是，如果存在宇宙常数，则温度将受吉本斯－霍金辐射的限制，有一个下限。根据目前估计的宇宙常数，这个辐射有一个大约为10-29K的温度极限。我们注意到：如果生物体的体温降低到这个点，他们将不能进一步降低温度以保存能量。
其次，戴森的计划需要一个闹铃，周期性地唤醒生物。这些闹铃在每次运行时间越来越长，消耗的能量却越来越少的情况下，还必须运行得很精确。量子力学表明，这是不可能的。想象一个包括两个小球的闹铃，先把这两个小球拉开，然后放手，让它们碰撞。当两个小球碰撞时，敲响一次铃。为了延长闹铃的间隔时间，生物体必须以更慢的速度释放小球。但是，最后闹铃将遭遇海森堡不确定性原理的限制，这一原理表明：让小球的速度和位置同时实现任意精度是不可能的。如果其中的一个小球不足够准确，闹铃将会失效，结果冬眠变成了永久的休眠。
你也许想设计另外形式的、能永远不受量子力学限制的时钟，甚至把它整合到生物自身。然而，还没有人能设计出这种既能可靠地唤醒生物，又不需要消耗能量的特殊装置。
永生的牢笼
也是最基本的有关智慧生命长期进化的问题，是计算能力的基本限制。计算机科学家曾经认为，在每次执行计算时不可避免地会消耗一定的能量，而且这个能量正比于计算机的温度。然而，20世纪80年代初，研究人员发现，某些物理过程，如量子效应和粒子在液体中的随机布朗运动，可以用来作为无能耗计算机的主要组成成分。
这样的计算机可在能耗无穷小的条件下工作。永恒生物体也可以像这样，通过简单地减慢速度，达到减少能耗的目的。但前提是，必须满足下列两种情况。首先，他们必须与周围环境保持热平衡；其次他们必须永不丢失信息。如果他们做不到，即计算变得不可逆了，那么这个不可逆的热力学过程必然消耗能量。
可悲的是，对一个膨胀的宇宙，那些情况是不可逾越的。在宇宙膨胀过程中，由于稀释和波长变长，生物变得不能发射和吸收辐射，也就无法达到与周围环境的热平衡。而且，因为他们能处理的物质有限，所以记忆也有限，所以为了得到新的想法，他们不得不放弃先前的想法。从理论上讲，这样的生物能以什么形式永恒存在呢？
他们只能收集一定数量的粒子和信息，并且这些粒子和信息只能以一定的形式存在。由于思想是对信息的重组，有限的信息意味着有限的思想。所有的生命所能做的只是再次经历过去，不断重复相同的思想。永恒成了“牢笼”，而不是一个无尽创新和探索的过程。这也许是一个天堂，但这样的生命能算活着吗？
值得一提的是，戴森从来没有放弃过希望。在与我们的通信中，他指出，人类可以避开量子力学对能量和信息的限制，比如，通过增大体型或采用不同的思维形式。他颇有新意地提出，问题的关键在于：生命是“模拟”的还是“数字”的——即决定生命极限的，是“连续物理学”还是量子物理学。我们相信，经过相当长的旅程后，生命将是“数字”的。
永恒生命是否还存在其他希望？对生命永恒有很强阻碍的量子力学，也许能通过另外一种途径拯救生命。比如，如果量子引力理论允许存在稳定的虫洞，生命物质可以设法避开光速的极限壁垒，访问用其他途径无法接触的那部分宇宙，收集到无限数量的能量和信息。再比如，他们可以构建一个“婴儿”宇宙，然后把他们自己，或者一系列能用来重组自己的指令，传送到这个“婴儿”宇宙。在这种方式下，生命可以继续。
不管如何，讨论生命的终极之限似乎还有些早，只有在真正的宇宙学时间尺度上，它才会变得重要。然而，这个问题还是会让一些人感到不安，因为可以确信，我们的物理化身肯定会有一个终结。不过想一想，虽然我们所知有限，却可以对如此重大的问题得出结论，这是多么奇妙的事情啊！
也许我们能认识迷人宇宙和人类自身的天数，比永远居住在肉身里面，更加有意义。
本文译者：施建荣是国家天文台研究员，研究领域为恒星元素丰度的确定，特别是晚星恒星大气中元素的非局部热动平衡效应的研究，银河系的化学演化。
发表于 2018-1-22 04:37
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