生命3.0：人工智能时代，人类的进化与重生

注：根据粒子物理学标准模型，9个具有合适的“味”和“自旋”特征的夸克可以组合起来，通过一个叫作“溜滑子”的中间状态转变成3个轻子。夸克的总质量（加上伴随的胶子粒子的能量）比轻子的质量大多了，因此，这个过程会释放能量，表现为闪烁。

未来的智能生命或许可以建造我所谓的“夸克引擎”：这是一种能量生产器，就像打了鸡血的柴油机一样。传统的柴油机将空气和柴油的混合物进行压缩，直到温度变得特别高，高到可以自燃和爆炸。之后，炙热的混合物再次膨胀，在这个过程中就可以完成一些有用的事情，比如推动活塞。燃烧后的气体（比如二氧化碳）的重量只相当于活塞内原先物体的0.000 000 05%，这个质量差就被转化为了热能，用于驱动引擎。一台夸克引擎可以压缩普通物质，直到温度达到几千万亿度⁽⁵⁶⁾，接着，溜滑子发挥作用，它会再次膨胀和冷却。我们知道这个实验的结局是什么，因为这正是我们的宇宙在138亿年前所经历的事情。那时候，宇宙非常炙热，几乎100%的物质都被转化为了能量，只剩下了几十亿分之一的粒子幸存下来，形成了普通物质的基本构件：夸克和电子。因此，夸克引擎就像一台柴油机一样，只不过效率提高了10亿

倍！还有一个好处是，你不需要对它的燃料过分讲究，只要是用夸克组成的物质就可以，也就是说，任何普通物质都可以。

由于这些过程的温度极高，我们的婴儿宇宙产生的辐射（光子和中微子）比物质（后来成为原子的夸克和电子）多了超过万亿倍。从那以后的138亿年间，发生了大规模的“种族”隔离，原子聚集成为星系、恒星和行星，而大多数光子仍停留在星际空间，形成宇宙微波背景辐射。科学家利用宇宙微波背景辐射制造了宇宙的婴儿照片。生活在任意一个星系或其他物质集中区域的先进生命形式，都可以将它们手边的大部分物质转化为能量，只需要在“夸克引擎”中短暂地重建一个炙热又稠密的环境，就可以将物质与能量的比例再次降低，直到比宇宙早期那个微小的比例还要小。

如果真要建造一台“夸克引擎”，我们如何才能知道它的效率有多高呢？要搞清楚它的效率，我们就必须弄明白一些关键的应用细节：比如，要把它的尺寸建得多大，才能在压缩阶段防止过多的光子和中微子泄漏？无论如何，我们可以肯定地说，未来生命的能源前景远远好于我们现在的技术所允许的状态。以我们现在的技术，甚至还无法建造核聚变反应堆，但未来的技术应该可以比我们现在的好10倍，甚至100倍。

量子计算机，更好的计算机

如果消化晚餐的能量效率比物理定律所允许的上限差了100亿倍，那么，今天的计算机表现如何呢？我们接下来将会看到，它们的效率比消化晚餐还糟糕。

我在介绍我的朋友兼同事塞思·劳埃德时经常说，他是麻省理工学院唯一一个像我一样疯狂的人。在对量子计算机进行了开创性的研究之后，他又写了一本书，认为我们整个宇宙就是一台量子计算机。我们经常在下班后一起喝啤酒，我发现，没有什么有趣的观点是他讲不出的。

例如，正如我在第2章中提到的那样，关于计算的终极极限，他总有很多话要说。在2000年一篇著名的论文中，他说明了计算速度其实受到能量的限制：在时间T上执行一次初等逻辑运算需要的平均能量为 $\scriptstyle \mathrm { E = h } / 4 \mathrm { T }$ ，其中h是一个被称为“普朗克常数”的基本物理量。这意味着，一台1千克的计算机每秒最多能执行 $5 \times 1 0 ^ { 5 0 }$ 次操作，这比我现在正在打字的计算机高出36个数量级。如果计算机的能力像我们在第2章所说的那样，每隔几年就翻一番，那么，我们将在几个世纪之后就能达到这个水平。劳埃德还说，1千克的计算机最多可以存储 $1 0 ^ { 3 1 }$ 比特的信息，这是我的笔记本电脑的10亿倍的10亿倍。

劳埃德率先承认，想达到这些上限，即使对超级智能生物来说也是非常有挑战的，因为那1千克“终极计算机”的内存会像热核爆炸或者一小块宇宙大爆炸一样。但是，劳埃德乐观地认为，实际可实现的上限与物理上限并不遥远。实际上，现有的量子计算机原型已经用单个原子来存储一个比特的信息，以此将内存最小化；将其累积起来，每千克将能存储 $1 0 ^ { 2 5 }$ 比特的信息，比我的笔记本电脑好1万亿倍。此外，使用电磁辐射在这些原子之间进行通信，能将每秒的运行次数达到 $5 \times 1 0 ^ { 5 0 }$ 次，比我的CPU高出31个数量级。

总而言之，未来生命在计算上的潜力是令人难以置信的：从数量级上来说，今天最好的超级计算机与1千克“终极计算机”之间的距离，比它和汽车转向灯之间的距离还要远，转向灯只能存储一个比特的信息，每秒只能在开和关之间转换一次。

获取更多物质

从物理学的角度来看，未来生命可能想要创造的一切——从栖息地、机器到新的生命形式，都只是以某种特定方式对基本粒子进行重新排列。就像蓝鲸实际上是重新排列的磷虾，而磷虾是重新排列的浮游生物一样，我们的整个太阳系也只是在138亿年的宇宙演化过程中对氢元素进行了重新排列：万有引力将氢元素重新排列成恒星，恒星将氢元素重新排列成重原子，之后，万有引力将这些原子重新排列成我们的星球，然后，化学和生物过程将它们重新排列成生命。

如果某种未来生命达到了它的技术极限，那么，它就可以更快和更高效地对粒子进行重新排列。它们首先会利用计算能力搞清楚效率最高的方法是什么，然后用可获得的能量来驱动这个物质“重新排列”的过程。我们已经看到了物质可以如何转化为计算机和能量，因此，物质就是它们所需的唯一基本资源⁽⁵⁷⁾。一旦未来生命在使用物质上已接近物理极限，想要做得更多，它就只有一种方法，那就是：获取更多物质。而想要获取更多物质，唯一的方法就是在宇宙中扩张它的势力，向太空进发！

通过殖民宇宙来获得资源

我们宇宙的资源禀赋到底有多少？具体来说，物理定律对生命最终可以利用的物质量的上限有何规定？我们宇宙的资源禀赋当然是相当惊人的，但具体有多大呢？表6-2列出了一些关键的数字。可以说，目前我们的行星的99.999 999%都是死寂的，因为这部分不属于我们生物圈的一部分，除了提供引力和磁场外，对生命几乎没有任何用处。如果我们能让这些物质为生命所用，那我们就拥有了多出几亿倍的物质。如果我们能够把太阳系中的所有物质（包括太阳系）都物尽其用，那么我们的境况会好几百万倍。如果能殖民银河系，那我们的资源会再增加1万亿倍。

表6-2 未来生命可以利用的物质粒子（质子和中子）数量的近似值

我们能走多远

你可能会认为，只要我们有足够的耐心，我们就能慢慢地殖民其他星系，并由此获得无限的资源，但现代宇宙学可不这么认为！是的，空间本身可能是无限的，包含无限多的星系、恒星和行星。事实上，这是最简单的暴胀理论所预测的结果，暴胀理论是目前关于“138亿年前是什么创造了我们的宇宙”这个问题最流行的科学解释。然而，即使有无限多的星系，我们也只能看到和到达数量有限的星系：我们可以看到大约2 000亿个星系，但最多只能殖民100亿个。 [5]

阻碍我们的正是光速：光线一年可以走1光年，大约为1万万亿千米。图6-6显示了从138亿年前的宇宙大爆炸以来，光线可以到达我们身边的一部分空间区域。这个球形区域被称为“我们的可观测宇宙”，也可以简单地称为“我们的宇宙”。即使空间是无限的，我们的宇宙也是有限的，“只”包含着10⁷⁸个原子。此外，我们的宇宙中有98%的物质都是“能看不能摸”的，因为即使我们以光速前进，也永远赶不上它们。为什么呢？毕竟，我们的视线之所以有极限，是因为我们宇宙的年龄是有限的，而不是无限老，所以，遥远的光线还没有足够的时间来到我们身边。那么，假如我们在途中有无限的时间可以旅行，难道我们不能到达任意远的星系吗？

注：我们的宇宙，也就是138亿年前的宇宙大爆炸以来，光线有足够的时间到达我们的球形区域（我们身处这个区域的中心）。这张图片显示了普朗克卫星所拍摄的宇宙早期照片，也就是宇宙的婴儿照。这张图说明，在宇宙只有40万年历史时，它是由炙热的等离子体组成的，其温度和太阳表面一样高。在这区域之外，可能还有更广袤的空间，每年，这个区域都在扩大，我们也因此会看到新的物质。

第一个挑战是，我们的宇宙正在扩张，这意味着几乎所有的星系都在离我们远去，所以，殖民遥远的星系就变成了一场追赶。第二个挑战是，宇宙膨胀正在加速，这是由构成我们宇宙的约70%的神秘暗能量造成的。如果你想知道宇宙的膨胀为什么会引起麻烦，请想象一下，你到达了火车站站台，看到你的火车正慢慢地加速远离你，但有一扇门开着。如果你快速冲过去，能赶上火车吗？由于它最终肯定会跑得比你快，所以，答案显然取决于火车最初离你有多远：如果超过了某个临界距离，你就永远赶不上它。我们也面临着同样的情况：试图追赶正在远离我们的遥远星系，即使我们能以光速前进，所有与我们相距超过170亿光年的星系依然遥不可及，而宇宙中超过98%的星系距离我们都超过了170亿光年。

但是等一下，爱因斯坦的狭义相对论不是说没有东西可以比光速跑得更快吗？那这些星系膨胀的速度怎么能达到超光速呢？答案是，狭义相对论已经被爱因斯坦的广义相对论取代了。在广义相对论中，速度的限制更为自由：当物体在空间中运动时，没有什么东西可以比光速更快，但空间可以随意扩大，要多快，有多快。爱因斯坦还给我们提供了一个很好的方法来可视化这些速度限制，那就是将时间视为时空的第四个维度，如图6-7所示，图中加上时间后依然是三维，因为我省略了三维空间中的其中一维。如果空间没有膨胀，光线将在时空中形成45的斜线，这样，我们从地球上能看到并可能到达的区域就是圆锥体。我们过去的光锥被138亿年前的宇宙大爆炸所截断，而我们未来的光锥将永远膨胀下去，让我们获得无限的宇宙资源。相比之下，中图显示了一个因暗能量而膨胀的宇宙（我们所栖身的宇宙应该就是这样的），它将我们的光锥变成了香槟酒杯的形状，将我们能够殖民的星系数量永远限制在大约1 000万个。

注：在这张时空图中，一个事件就是一个点，这个点的水平位置和竖直位置分别表示它发生的地点和时间。如果空间没有扩张（左图），那么，两个圆锥体将两个时空区分开，一是能影响身处地球上的我们（我们位于顶点）的时空，二是地球上的我们可以影响的时空（上圆锥），因为因果关系，时空不能跑得比光速还快——光线每年跑一光年。如果空间膨胀（右图），事情就变得更有趣了。根据宇宙学标准模型，即便空间是无限的，我们也只能看到和到达时空中的有限区域。中间的图片很像一个香槟酒杯。在这张图中，我们用坐标隐藏了空间的扩张，这样，遥远星系随时间的运动可以用竖直线来表示。在我们目前的位置（大爆炸后138亿年），只有“香槟酒杯”底座上的光线才有足够的时间到达我们身边。并且，即使我们以光速行进，我们永远到不了“香槟酒杯”上部分之外的区域，而那里包含了几百亿个星系。右图的下部像一个水滴。在这张图中，我们用普通的坐标系来表示空间，所以你能看到空间在膨胀。这将“香槟酒杯”的底座变成了一个水滴形状的结构，因为我们能看到的区域的边缘地带在早期都离得非常靠近。

如果这个限制让你感觉到一种“宇宙幽闭恐惧症”，那不要难过，高兴一点，因为上面的分析可能有一个漏洞：我的计算假设暗能量随时间保持不变，这符合最新的观测结果。然而，我们仍然不知道暗能量究竟是什么，这就留给了我们一线希望：有可能，暗能量最终会衰减，就像解释宇宙暴胀时所假设出来的那种与暗能量类似的物质一样；如果发生这种情况，加速将会变成减速，这样，未来的生命形式就能够殖民新的星系，想待多久，就待多久。

我们能走多快

前面我们探索了，假设一个文明向各个方向以光速扩张，那它能够占领多少星系。广义相对论说，发射火箭并让其在空间中以光速穿梭是不可能的，因为这将需要无限多的能量。那么，火箭实际上能达到多快的速度呢？ (58)

2006年，NASA的“新视野”号火箭发射前往冥王星时，它的时速达到了10万英里（相当于每秒45公里），打破了速度纪录。将于2018年发射的“太阳探测器附加任务”（Solar Probe Plus）的速度比这还要快4倍多，它将深入太阳日冕层。即便如此，它的速度还是比光速的0.1%还要低。20世纪，许多最杰出的人才都为建造更好和更快的火箭奉献了自己的聪明才智。这方面的文献更是多得汗牛充栋。为什么提升速度如此之难呢？有两个关键问题。其一，传统火箭的大多数燃料其实都用在了对携带的燃料进行加速上；其二，今天的火箭燃料的效率实在太低了，低得令人发指，其质量转化为能量的比例不比表6-1中燃烧汽油的效率的0.00 000 005%高多少。一个明显的改进措施是换成更高效的燃料。譬如说，正在为NASA“猎户座计划”（Project

Orion）效力的弗里曼·戴森等人希望，能在10天内引爆30万颗核弹，以此让一艘载人宇宙飞船达到光速3%的速度，好在1个世纪内到达另一个恒星系。还有一些人正在研究使用反物质作为燃料，因为将其与普通物质相结合，将释放出接近100%高效的能量。

另一个流行的想法是，建造一个不需要自行携带燃料的火箭。比如，星际空间并不是完美的真空，偶尔会出现氢离子（单独的质子，也是失去电子的氢原子）。1960年，物理学家罗伯特·巴萨德（RobertBussard）提出了一个想法，这个想法在众所周知的“巴斯德冲压发动机”（Bussard Ramjet）上得到了完美体现，即在旅途中收集这些氢离子，并将其作为火箭燃料，用于机载核聚变反应堆。尽管近期的研究对其实用性抱有怀疑的态度，但还有另一种“不带燃料”的想法对于一个拥有高超航天科技的文明来说，似乎是可行的，那就是激光帆（Laser Sailing）。

图6-8展示了一个激光帆火箭的精巧设计，这个想法是由罗伯特福沃德于1984年率先提出来，他也发明了我们在戴森球那部分讨论过的静态卫星。空气分子在船帆上弹跳时，能将帆船推向前方，同样地，光子在镜子上弹跳时，也会将其推向前方。用一个大型太阳能激光器朝着安装在宇宙飞船上的巨大超轻型船帆发射激光，我们就能用太阳能来加速火箭，达到可观的速度。但是，倘若你想要飞船停下来，怎么办呢？这个问题一直困扰着我，直到我阅读了福沃德的精彩论文^[6]：如图6-8所示，激光帆的外环分离出来，移到飞船前方，将激光光线反射回来，让飞船和较小的帆减速。根据福沃德的计算，这可以让人类在短短40年的时间内到达4光年外的恒星系——南门二。一旦到达那里，人类就可以建造一个新的巨型激光系统，继续在银河系的星辰大海中跳跃和航行。

但为何要止步于此呢？1964年，苏联天文学家尼古拉·卡尔达肖夫（Nikolai Kardashev）提出，可以用消耗能量的多少来对宇宙文明进行分级。能使用一颗行星、一颗恒星（用戴森球）和一个星系能量的文明，在卡尔达肖夫等级上分别属于I级、II级和III级文明。后来有些思想家认为，IV级文明应该可以利用其可到达的宇宙的所有能量。从那时起，对于富有宇宙殖民雄心的生命形态来说，既有好消息又有坏消息。坏消息是，暗能量的存在似乎阻碍了我们的脚步。好消息是人工智能取得了巨大的进步。即使是卡尔·萨根（Carl Sagan）这种最乐观的梦想家都曾认为，人类想要到达其他星系是毫无希望的，因为我们的寿命十分短暂，而如此遥远的旅途，即使以近光速旅行也要花几百万年的时间。但人类拒绝放弃，他们想出了很多办法，比如把宇航员冷冻起来以延长寿命，或者以接近光速旅行以延缓衰老，或者派出一个可以旅行数万代的社区，这甚至比人类当前的历史还要长。