生命3.0：人工智能时代，人类的进化与重生

谈到未来的生命，最乐观的梦想家之一莫过于弗里曼·戴森了。过去20年来，我非常荣幸也很高兴能认识他。但当我第一次见到戴森的时候，感到十分紧张。当时，我还是一名初级博士后，正在普林斯顿高级研究所的餐厅里和我的朋友们吃午饭。突然，这个曾与爱因斯坦和库尔特·哥德尔谈笑风生的世界知名物理学家竟然走过来自我介绍，并询问是否可以和我们一起吃饭！不过，我的紧张感很快就被他打消了。因为他说，比起老教授，他更喜欢和年轻人共进午餐。在我写下这段文字时，戴森已经93岁了，但他的灵魂比我认识的大多数人都年轻。他眼中闪烁的孩子般的光芒表明，他根本不在乎什么形式主义、学术等级或传统观点。想法越大胆，他就越兴奋。

当我们谈到能源使用问题时，他笑叹我们人类太没有野心了。他指出，只要我们能完全利用小于撒哈拉沙漠0.5%面积上的阳光，就能满足当前全球的能源需求。但为什么要止步于此呢？为什么不捕捉照射到地球上的所有阳光，而让它们浪费在空荡荡的空间里呢？为什么不干脆把太阳发射出的所有能量都给生命使用呢？

受到奥拉夫·斯塔普雷顿（Olaf Stapledon）1937年的经典科幻小说《造星者》（Star Maker）的启发，戴森在1960年提出了建造“戴森球”的想法^[1]。戴森的想法是将木星重新组合成一个围绕着太阳的球壳状的生物圈，在这里，我们的后代能够繁荣起来，享受比现在的人类多1 000亿倍的生物量和多1万亿倍的能量^[2]。戴森认为这是自然而然的下一步：“人们应该想到，在进入工业发展阶段的几千年后，任何智能物种都应该能建造和居住在一个完全包围母星的人造生物圈中。”如果你住在戴森球的内部，就不会有夜晚，你总能看到太阳挂在你头顶上。在天空中，你会看到阳光从生物圈的其他部分反射出来，横跨整个天际，就像我们现在看到月球反射太阳光一样。如果想看星星，你只需要“爬上楼”，来到戴森球的外部，就能看到整个宇宙。

构建一个局部的戴森球有一种低技术的操作方法，那就是在太阳周围建造一个环形的轨道，将栖息地放在上面。为了将太阳完全包围，可以在太阳周围添加轴心和距离略微不同的圆环，以避免碰撞。但这些快速移动的环状结构有一些麻烦，比如它们不能连接彼此，让交通和通信变得十分困难。为了避免这些麻烦，你也可以选择建造一个固定的整体戴森球，在那里，太阳向内的万有引力与向外的辐射压相互平衡——这个想法是由物理学家罗伯特·福沃德（Robert L. Forward）和科林·麦金尼斯（Colin McInnes）率先提出来的。要建造这种球体，可以依靠逐步添加越来越多的“静态卫星”（statites）来实现：这是一种位置固定的卫星，可以用太阳的辐射压而不是离心力来抵消太阳的万有引力。这两种力都与离太阳的距离平方成反比，这意味着，如果它们在某一个距离能够达到平衡，那么，在任意其他距离，也可以很容易地达到平衡，让我们可以在太阳系任意地方停泊。静态卫星必须由极端轻巧的片状结构组成，每平方米只有0.77克，比纸还轻100倍，但这还不是最厉害的材料，一层石墨烯⁽⁵⁰⁾比这还轻1 000倍。如果戴森球是用来反射而不是吸收大部分的阳光，那么，在其内部反射的光的总强度将大大增加，从而进一步提高辐射压和戴森球中可支撑的质量。许多其他恒星的亮度比我们的太阳高几千倍甚至几百万倍，相应地，也就能够支撑更重的静态戴森球。

如果我们更加青睐在太阳系中建造这种质量更重、更坚固的静态戴森球，那么，若想抵抗太阳的万有引力，就需要使用耐压力超强的材料，它必须能承受比地球上最高的摩天大楼的地基所受到的压力还要高上几万倍的压力，而不会液化和弯曲。为了延长使用年限，戴森球必须保持动态和智能化，不断调整其位置和形状，以应对干扰；偶尔，它会打开一些大洞，让讨厌的小行星和彗星安全通过。或者，可以使用侦测和偏转系统来处理这样的系统入侵者，还可以选择将其分解，并回收它们的物质用作更好的用途。

对于今天的人类来说，生活在戴森球上，往好了说令人晕头转向，往坏了说是不可能的事，但这并不能阻止未来的生命形式在其上繁荣昌盛，无论它们是生物还是非生物的。戴森球几乎无法提供引力。如果你想在静态戴森球上行走，只能在其外表面，也就是远离太阳的那面行走，而不用担心掉出去。戴森球的万有引力比你现在所习惯的引力小了大约1万倍。在戴森球上，没有磁场来帮你阻挡来自太阳的危险粒子，除非你自己建一个。唯一的好处是，一个大小相当于地球当前轨道的戴森球将使我们可居住的地表面积增加约5亿倍。

如果我们想要与地球更接近的栖息地，那么，好消息是它们比戴森球更容易建造。例如，图6-1和图6-2显示了由美国物理学家杰勒德·奥尼尔（Gerard K. O'Neill）设计的圆柱形栖息地。这个设计支持人造重力，能屏蔽宇宙射线，可以形成24小时的昼夜周期，还支持类似地球的大气和生态系统。这样的栖息地可以在戴森球内部自由地旋转，或者稍微改造一下，安装在戴森球的外部。

注：如果这对反向旋转的奥尼尔圆柱体在围绕太阳旋转时，总是指向太阳，那么，它们就可以提供像地球一样舒服的人类栖息地。旋转所带来的离心力可以提供人造重力，三张可折叠的镜子将阳光反射入圆柱体，形成24小时的昼夜周期。较小的环形区域是专门的农业区域。图片由里克·盖迪斯（Rick Guidice）/NASA提供。

注：这是图6-1中的一个奥尼尔圆柱体的内景图。如果它的直径为6.4公里，每2分钟旋转一周，那么，人们就能体会到与地球上相同的重力。太阳虽然在你身后，但看起来却在你头上，因为圆柱体外的镜子会将太阳光反射进来。这个镜子在晚上会收起来。密闭窗防止大气逃逸出圆柱体。图片由里克·盖迪斯/NASA提供。

更好的发电厂

虽然按照今天的工程标准来说，戴森球的能源效率是很高的，但它远未达到物理定律所设定的极限。爱因斯坦告诉我们，如果能以100%的效率将质量转化为能量⁽⁵¹⁾，质量m就能给我们带来的能量为 $\scriptstyle { \mathrm { E } = { \mathrm { m c } } ^ { 2 } }$ ，这是他著名的质能方程，其中c是光速。由于c非常大，这意味着少许质量就可以产生大量的能量。如果我们有足够的反物质（实际上我们并没有），就能很容易地建造一个效率为100%的发电厂：只需要把一茶匙反物质水倒入正常水中，就可以释放相当于20万吨TNT炸药的能量，相当于一颗普通氢弹产生的能量，足够为全世界供电大约7分钟。

相比之下，我们现在最常见的发电方式是非常低效的，如表6-1和图6-3所示。消化一颗糖果的效率仅为0.000 000 01%，因为它释放的能量E仅为 $\mathrm { m c } ^ { 2 }$ 的万亿分之一。如果你的胃的能源效率提高到0.001%，那么，你一辈子只需要吃一顿饭。与吃饭相比，煤和汽油的燃烧效率分别只提高了3倍和5倍。今天的核反应堆通过铀原子裂变的方法，能实现相当高的能源效率，但仍然无法达到0.08%。太阳核心的核反应堆比我们建造的核反应堆的效率高出一个数量级，它将氢元素聚变成氦元素，提取出0.7%的能量。然而，即使我们把太阳圈在一个完美的戴森球中，我们能转换成能量的太阳质量依然无法超过0.08%，因为一旦太阳消耗了大约1/10的氢燃料，作为一颗普通恒星，它就会结束自己的生命，膨胀成一颗红巨星并走向死亡。其他恒星的情况也不会好很多：在生命主要阶段中消耗的氢元素所占的比例并不高，非常小的恒星约能消耗4%，最大的恒星约为12%。如果我们能造出一个完美的聚变反应堆，足以让氢元素100%全部用于聚变，我们的能源利用效率依然无法超过0.7%，因为这是聚变反应的效率上限。那么，我们如何才能做得更好呢？

注：将物质转化为能量的效率是相对于理论上限 $E = m c ^ { 2 } + \sqrt { n }$ 言的。正如表中文字所示，通过向黑洞中注入物质然后等待其蒸发，可以达到90%的效率，但这个过程实在太漫长了，一点用都没有。但速度快一些的过程，其效率又太低了。

蒸发黑洞

霍金在他的《时间简史》一书中提出了一种用黑洞来发电的方法(52) 。这听起来似乎是矛盾的，因为长久以来，人们相信黑洞吞噬一切，连光线都无法逃脱它的陷阱。然而，霍金有一个著名的理论。他的计算显示：量子引力效应使得黑洞就像一个热物体——黑洞越小，就越热，它能发出一种热辐射，现在被称为“霍金辐射”（HawkingRadiation）。这意味着，黑洞会逐渐失去能量，并蒸发殆尽。换句话说，无论你将什么东西倾倒入黑洞，最后都会以热辐射的形式回到黑洞之外，因此，等到黑洞完全蒸发的时候，你扔进去的物质就以100%的效率转化为了辐射能⁽⁵³⁾。

图6-3 能量对比

注：先进的技术可以从物质中提取出巨大的能量，比消化食物和燃烧能提取的能量多得多。但即使是核聚变提取的能量都比物理定律所允许的上限少了140倍。如果一个发电厂可以利用“溜滑子”效应、类星体或蒸发黑洞的能量，那它的效率会更高。

将蒸发的黑洞当作发电厂有个问题，如果黑洞的尺寸不比一颗原子小，那么，它的速度就实在太慢了，慢得令人发指，即使给它比宇宙年龄还长的时间，它辐射出的能量还不如一根蜡烛。它产生的功率与黑洞大小的平方成反比，因此物理学家路易斯·克兰（Louis Crane）和肖恩·威斯特摩兰（Shawn Westmoreland）提出，可以使用比质子还小1 000倍的黑洞，它的质量大约相当于历史上规模最大的海船^[3]。他们主要是想用黑洞引擎来为星际飞船提供动力（下面我们将回到这个话题），所以，他们更关心便携性而不是效率，并建议用激光来照射黑洞，这样就根本不需要在物质和能量之间进行转换，因为激光本身就是一种能量。即使你可以向黑洞中投以物质而不是用激光照射，也很难保证高效率：想要让质子进入大小是它千分之一的黑洞，必须用一台像大型强子对撞机那样强大的机器，将质子对着黑洞发射，用动能来提高其能量mc²至少1 000倍以上。由于当黑洞蒸发时，至少有10%的动能会转变为引力子而损失掉，所以，我们投入到黑洞中的能量大于我们能提取和利用的能量，降低了效率。此外，还有一个影响黑洞发电厂前景的事实是，我们仍然缺乏一个严格的量子引力理论来作为计算基础。不过，这种不确定性也意味着，可能存在全新且有用的量子引力效应等着我们去发现。

自旋黑洞

幸运的是，想要使用黑洞作为“发电厂”，我们还有其他方法，这些方法不涉及量子引力等未知物理学。例如，现在有许多黑洞自旋的速度非常快，它们的视界都在以光速高速旋转，这种旋转的能量可以被提取出来。黑洞的视界是指黑洞周围的一个区域，在那里，由于万有引力过大，连光线都无法逃逸。图6-4显示，自旋黑洞在视界之外还存在一个名为“能层”（ergosphere）的区域，在那里，由于黑洞拖拽着空间一起旋转的速度太高，以至于其中的粒子不可能静静地待在那里不动，而是会被拽着一起旋转。如果你把一个东西扔进能层，它就会获得速度，绕着黑洞旋转。不幸的是，它很快就会被黑洞吞噬，永远消失在视界中，所以，如果你想用它来提取能量的话，这是行不通的。然而，罗杰·彭罗斯发现，如果你把这个物体扔进去的角度十分巧妙，那它就会分裂成两部分，如图6-4所示。其中一部分会被黑洞吞噬，而另一部分则以高于你一开始给它的能量逃脱黑洞。换句话说，这样你就成功地将一部分黑洞旋转能转换成了可以利用的有用能源。通过多次重复这个过程，你就可以把黑洞所有的旋转能都压榨出来，这时黑洞就会停止旋转，能层就会消失。如果这个黑洞一开始旋转的速度达到了自然界所允许的上限，也就是说，它的视界基本上是以光速旋转，那么，用这种方法，你可以将其质量的29%转化为能量。

我们目前还不确定宇宙中的黑洞旋转的速度到底是多少，但许多研究显示，它们旋转得似乎很快：在允许的最大值的30%～100%之间。我们银河系中央的那个怪兽一般的黑洞（质量为太阳的400万倍）似乎也在旋转，所以，即使它只有10%的质量可以转化为有用的能量，那么，这也相当于以100%的效率把40万个太阳的质量转化为了能量，也相当于围绕着5亿个太阳的戴森球在几十亿年的时间长河里可以收获的总能量。

类星体

另外一个有趣的策略不是从黑洞本身获取能量，而是从落入其中的物质中获取能量。大自然已经帮我们找到了一个实现方法：类星体。随着气体像旋涡一样旋入黑洞，它们形成了一个比萨形状的盘状结构。这个结构的最内层逐渐被吞噬。气体变得极端炽热，释放出大量的辐射。随着气体落入黑洞，它逐渐加速，就像跳伞运动员那样，将其重力势能转化为动能。随着复杂的紊流将气体的协调运动变成更小尺度上的随机运动，运动状态变得越来越混乱，直到单个原子开始以高速互相碰撞，这种随机运动正是“热”的定义，这些剧烈的碰撞将动能转化为辐射。通过在整个黑洞周边的安全距离建立一个戴森球，这种辐射能量可以被人类捕获并利用。黑洞旋转速度越快，这个过程的效率就越高。旋转速度最快的黑洞的能量效率可高达42%⁽⁵⁴⁾。对于重量约等于一颗恒星的黑洞来说，大部分能量是以X射线的形式放射出来的，而对星系中心的超大质量黑洞来说，大部分能量落入红外线、可见光和紫外线的范围

内。

一旦你“喂”给黑洞的燃料已耗尽，就可以像我们上面讨论的那样，转而提取它的旋转能⁽⁵⁵⁾。确实，大自然中已经存在一种方法可以部分实现这件事，用一种叫作“布兰德福–日纳杰过程”（Blandford-Znajek Mechanism）的电磁过程将气体加速，从而促进辐射量。如果我们巧妙地使用电磁场或其他东西，说不定可以将能量提取效率升高到42%以上。

溜滑子

还有一个不需要用到黑洞就能将物质转化为能量的过程，叫作“溜滑子”过程。它能毁灭夸克，并将其转化为轻子，其包括电子，比电子较重一些的兄弟μ介子和τ子，中微子或其反粒子。^[4]正如图6-5所示，根据粒子物理学标准模型预测，9个拥有合适的“味”和“自旋”的夸克组合在一起，可以通过一个称为“溜滑子”的中间状态转化为3个轻子。由于输入质量大于输出质量，因此，二者的质量差被转化为了能量，其大小符合爱因斯坦的方程E=mc²。