當整個宇宙能源耗盡，人類還能繼續存活嗎？

如果太陽耗盡所有氫能源，地球生命將如何生存？人類能否在宇宙中找到新家園？前景似乎暗淡：目前的觀測結果顯示，宇宙似乎將永遠膨脹。這意味著物質與能量的密度將越來越小，採集能量會越來越難，到那時，生命體只能到黑洞、宇宙弦中去尋找能量。

撰文 | 勞倫·克勞斯（Lawrence Krauss）

格倫·斯達克曼（Glenn Starkman）

翻譯 | 施建榮

太陽最終會消耗完它的氫能源，到時我們所知道的所有地球生命都將終結，除了人類將能延續。我們的後裔必將面臨死亡和災害，痛苦和擔憂也許永遠不會消失，但很有可能，他們中的一部分會找到新家，分散到宇宙各個角落，繼續生活下去，就像地球生物分布在所有適合居住的地方一樣。

結局也可能不是這樣。儘管科學家還不能完全理解生命的本質和宇宙的演化，但他們仍可以對生命的結局做出有根據的推測。目前宇宙學的觀測表明：宇宙將永遠膨脹下去，而不是如科學家先前認為的那樣，先膨脹到一個極大值，然後再收縮。所以，人類不會在宇宙的猛烈收縮下被壓成碎片，人類文明也不會像以前想的那樣，會隨著宇宙收縮而全部付之一炬。看起來，永恆膨脹對生命來說似乎是一件好事。那麼，有什麼東西能阻止一種足夠聰明、能不斷找到資源的生命永遠存在下去呢？

無盡的永恆?無盡的荒野

生命的繁榮依賴能量和信息，最基本的科學原理顯示，即使在一個無窮的周期中，人類也只能獲取有限的能量和信息。為了生命的延續，我們必須面對逐漸減少的能源和有限的信息。可以肯定，在這種情形下，不可能永遠存在有意識的生物。

在過去的一個世紀內，未來學家們徘徊在樂觀主義和悲觀主義之間。在達爾文充滿信心的預言後不久，科學家又開始為「熱寂」（heat death）煩惱，因為在這種情況下，整個宇宙將達到一個相同的溫度，並將不再變化。20世紀20年代發現的宇宙膨脹的事實，減緩了這一擔憂。因為膨脹將阻止宇宙達到「熱寂」平衡狀態。

但是，很少有宇宙學家思考，宇宙的永恆膨脹會對生物造成什麼影響。直到1979年，美國普林斯頓高等研究院的弗里曼·戴森（Freeman Dyson）發表了有關宇宙永恆膨脹對生物的影響的經典論文。戴森的想法來源於早期賈馬爾·伊斯蘭（Jamal Islam）的研究。自戴森的文章發表以後，物理學家和天文學家們會不時重新考慮這個問題。1998年的觀測表明：我們將有一個與早先設想完全不同的、更長遠的未來。受此啟發，我們開始學會換一個角度來看待這個問題。

能量收集策略：美國加州理工學院的物理學家史蒂文· 弗拉茨基（Steven Frautschi）用圖說明，大約10^100年以後，生存將變得如此困難。在眾多的宇宙事件中，隨著宇宙膨脹，任意參考球內（藍色球）的多樣性能源也將膨脹，且越來越多的部分變得可見（紅色球）。一個高度進化的文明可以把黑洞王國（綠色球）掠奪的物質轉化為能量。但是當這個王國變大時，獲取新領地的代價就會增大，征服的速度很難趕得上物質變得稀疏的速度。事實上，物質變得如此彌散，以至於這個文明無法造一個足夠大的黑洞來收集它們。

在過去的一百多億年內，宇宙經歷了許多階段。對宇宙早期，科學家已經掌握了足夠多的觀測事實，知道那是難以想像的高溫和高密度。從那以後，宇宙開始膨脹和降溫。此後數十萬年，輻射開始佔主導，目前大家知道的微波背景輻射就是那個時代的遺迹。接下來，物質開始佔主導，漸漸地聚集成大的天體結構。如果目前的觀測是正確的，那麼我們的宇宙正開始加速膨脹。這暗示著，一種奇怪的、可能產生於宇宙空間本身的新能量開始佔主導。

生命已經習慣了依賴恆星，但恆星不可避免要死亡，而且從大約100億年前開始，它們的誕生率就在顯著下降。大約100萬億年後，通常意義上的恆星將不復存在，一個新的時代將出現。一些目前慢得不被人注意的過程，將變得很重要：如由於恆星近距離相遇而引起的行星系統擴散、普通和奇異物質可能的衰變、黑洞的緩慢蒸發等。

假如智慧生命能適應周圍環境的變化，他們將面臨何種根本限制呢？在一個可能無窮大的永恆宇宙中，人們可能希望，一個足夠發達的文明能採集到無窮無盡的物質、能量和信息。但令人意外的是，事實並不如此。即使通過長時間努力和精心設計，生命體也只能採集一定數量的物質、能量和信息。而讓我們感到沮喪的是，微粒、爾格（erg，能量單位）和比特（bit）的數目可能是無限的，所以這種失敗不是因為缺少資源，而在於採集它們很困難。

造成這種困境的元兇，恰恰是讓生命可以永久存在的因素：宇宙膨脹。當宇宙膨脹時，一般能源的平均能量密度會下降。宇宙的半徑增大一倍，原子的密度將下降8倍。對光波來說，這種下降更為嚴重。它們的能量密度將下降到原來的十六分之一，因為膨脹使波長變長，從而削弱了它們的能量。

宇宙膨脹對不同形式能源產生的稀釋作用有所不同。普通物質（橙色）以正比於體積的形式下降，而微波背景輻射（紫色）則下降得更快，這是因為，光波將被延長至微波或更長的波段。而由宇宙常數決定的能量（藍色），至少從目前的理論來看，將不受影響。

由於嚴重「稀釋」，使得能源的收集變得越來越麻煩。智慧生命有兩種選擇：讓物質自己靠過來，或者主動把它們找出來。

對前者而言，從長遠的角度，最好的辦法是讓萬有引力來完成。在所有的自然力中，只有萬有引力和電磁力能把任意遠處的物體吸引過來。但電磁力通常會被屏蔽掉。原因在於電荷相反的帶電粒子會相互作用達到電荷平衡，所以普通物體是電中性的，不受長程的電力和磁力的影響。而引力則相反，是無法屏蔽的，因為物質和輻射粒子只會通過引力吸引，不會相互抵消。

天定勝人？

即使是引力，也必須與膨脹的宇宙鬥爭，因為膨脹會拉開物體間的距離，從而削弱它們之間的引力。除了下述一種特殊情況以外，引力最終還是無法把大量物質聚集在一起。事實上，我們的宇宙可能早已過了這個點——星系團也許就是由引力束縛在一起的、最大的物質團體。

僅有的例外只能出現在膨脹和收縮達到平衡時，在這種情況下，引力能永遠不停地積聚大量物質。但是，這一設想與目前的觀測事實相悖。即使真能這樣，也還是行不通：因為這樣的話，大約1033年以後，我們周圍的物質將變得非常密集，使得它們中的大部分將塌縮到黑洞里。在黑洞裡面，情況可不樂觀。地球上，我們常說條條大路通羅馬，而在黑洞內，所有物質都會在有限的時間內到達共同的終點——黑洞的中心，在那裡，死亡和解體是註定的結果。

悲哀的是，主動尋找能源的策略也不比被動方式好。宇宙膨脹減弱了動能，因此，勘探者只能揮霍現有能源以保持他們的速度。即使在最樂觀的情況下——所有的能量都以光速移向到黑洞，並且毫無損失地被收集起來，人類想要獲取無限的能量，只能在黑洞里或者在黑洞附近。1982年，美國加州理工學院的史蒂文·弗洛茨基（Steven Frautschi）研究了這一可能性。他推斷，可從黑洞獲得的能量將迅速減少，而為收集能量所耗費的那部分能量，卻不怎麼減少。最近，我們重新檢驗了這種可能性，結果發現情況比弗洛茨基預想的還要糟糕：一個可以永遠聚集能量的黑洞，可能比我們目前可見的宇宙部分還要大。

對一個正在加速膨脹的宇宙來說，由於宇宙膨脹導致的能量稀釋，是很可怕的。目前可見的所有遠處天體最終將以超光速遠離我們，從我們的視界中消失。我們可以使用的總資源，最多也只能在目前所能看到的範圍內獲得。

宇宙是減速膨脹（上圖系列）還是加速膨脹（下圖系列），結果很不一樣。在這兩種情況下，宇宙都是無限的，但是宇宙由參考球到特定星系的那部分（藍色球）將膨脹。人類只能看到他們周圍有限的宇宙空間，當光信號有時間傳播（紅色球）時，這一空間將穩定增加。如果膨脹是減速的，我們看到的宇宙將會增加，越來越多的星系將充滿空間。但是，如果膨脹是加速的，我們能看到的宇宙將變少，彷彿眼前的星空被清掃一空。

不過，不是所有的能量都會遭到「稀釋」。例如，宇宙可能充斥著宇宙弦組成的網路，它們無窮長而細，但集中了能量，可能是由於宇宙早期的不均衡冷卻形成。在宇宙膨脹的過程中，單位長度的宇宙弦能量是不變的。智慧生命可以砍斷一根，然後聚集在鬆散的切口一端，開始使用它的能量。如果宇宙弦網路是無窮無盡的，智慧生命的能量需求就可以得到永久性的滿足。但問題是，如果生物能做到，那麼大自然的機制同樣能做到。如果一個文明能找到一種切斷宇宙弦的方法，宇宙弦網路很可能由此解體。例如，黑洞可能自發地出現在宇宙弦上，并吞噬它們。因此，人類只能消耗有限數量的弦，而不可能到達弦的另一端。 最終整個宇宙弦網路會全部消失，留下缺少能量的文明獨自存在。

能不能開採量子真空能呢？別忘了，宇宙膨脹可能是被宇宙常數（一種不隨宇宙膨脹而變化的能量）驅動的。如果真是這樣，真空中將充滿一種形式奇特的輻射，被稱為吉本斯－霍金輻射（Gibbons-Hawking radiation）或德西特輻射（de Sitter radiation）。可惜的是，我們不能從這種輻射中獲取能量做有用的事情。如果量子真空能損失能量，它將降低到更低的能態，但是真空早就在最低能態了。

不管我們變得如何聰明，不管宇宙有多麼合作，總有一天，我們將面臨能源耗盡。在那種情況下，我們還有其他途徑實現生命的永恆嗎？

一個很明顯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。為了減少能量損耗，保持低消耗，我們最後將採用降低自己體溫的方法。同時，考慮改變人類的基因，使人體可以在低於310 K（37℃）的溫度下正常運轉。然而，人類的體溫是不能隨意降低的，血液的凝固點有確定的下限。也許最終，我們將不得不完全放棄我們的身體。

從未來主義的角度看，放棄軀體沒有根本上的困難。我們只須假定意識沒必要依賴於特定形式的有機分子，而能以多種不同的形式體現，比如，電子人和有感覺的星際雲。大多數現代哲學家和認知科學家認為，像理性思維這樣的過程可以由計算機來完成。詳細的細節我們就不在這兒討論了。我們還有很多億年去設計新的「身體」，將來可以把我們的意識移植到新「身體」里。這些新「身體」可以在更冷的溫度下工作，而且有更低的新陳代謝率，從而降低能量消耗。

戴森指出，當宇宙逐漸變冷時，如果生物體能降低新陳代謝率，就可以設法在無限長的進化歷程中只消耗一定數量的能量。儘管溫度的降低意味著思考速度（每秒鐘考慮的次數）減慢，但從理論上來說，這樣的思考速度還是足以保證我們的思考總次數不受限制。總而言之，智慧生命將永遠生存下去，不論是在絕對時間還是在主觀時間上。只要能保證生物有無盡的思維，他們才不會在乎生活節奏變慢。如果在你的前面還有數十億年，為什麼要那麼匆忙呢？

初看起來，這是個節省體力的好主意。但數學上的無窮是挑戰直覺的。戴森說，對一個生物而言，要保持相同程度的複雜性，它處理信息的速度應正比於體溫，而能量的消耗應正比於溫度的平方（另一個溫度因子來源於熱力學）。因此，能量需求減少的程度要大于思考速度的降低。在310 K（37℃）時，人的身體每秒大約消耗100焦耳的能量，而在155 K（-118℃）時，一個同樣複雜的生物的思維速度降到一半，但耗費的能量會降到原來的四分之一。這個「交易」是可以接受的，因為周圍環境中的物理過程也會以相同的速率減慢。

有限能源下的永恒生命？如果新生命能降低自己的體溫到至310K（37℃）以下，他將消耗更少的能量，代價則是減慢了思維。由於新陳代謝率比思維速度下降得快，生命可以設計成這樣的形式——利用有限的能源，擁有無限的思想。有一點要提醒的是，生命體散熱的能力也會下降，這將阻止他進一步將體溫下降到10^(-13)K以下。

以休眠換永生

遺憾的是，這裡存在一個陷阱。如果不對一個物體加熱，它的大部分能量將以熱輻射的方式損耗掉，比如人的皮膚就會輻射紅外線。在很低的溫度下，最節能的輻射物是稀薄的電子氣。然而，即使這樣的最佳輻射效率——能量消耗正比於溫度的立方，耗能的速率還是要比新陳代謝率快。當生物體的溫度不能再下降時，就會出現一個轉折點——從那時起，他們將不得不減少自己的高級功能，變得比較低能。不久以後，他們將不再是智慧生命。

對於弱者來說，結局似乎已經註定。不過，為了應對損失能量這個問題，戴森大膽設計了一種休眠策略，有機體只需要在一小部分時間內保持清醒。在休眠過程中，有機體的新陳代謝率將降低，但至關重要的是，它們可以繼續散發熱量。這樣，有機體的平均體溫就可以更低。事實上，通過不斷增加休眠時間，有機體可以消耗有限的能量，永遠存在，思考次數也不會受到限制。戴森斷定：永恒生命確實是可能的！

休眠可能會解決能量消耗這個問題。當生命進入降溫模式時，將用更多的時間休眠，從而進一步減少新陳代謝和思維的平均速度。此時，消耗的能量低於最大熱量損失率，同時還允許擁有無窮的思想。但是，這樣的設計有其他問題，比如說與量子極限可能有衝突。

但是，許多科學家對戴森的計劃提出了質疑，指出了其中難以實現的地方。首先，戴森假定外層空間的平均溫度（現在是2.7K）是由微波背景輻射決定的，將隨著宇宙的膨脹永遠下降，因此，生物可以永遠降低他們的溫度。但是，如果存在宇宙常數，則溫度將受吉本斯－霍金輻射的限制，有一個下限。根據目前估計的宇宙常數，這個輻射有一個大約為10-29K的溫度極限。我們注意到：如果生物體的體溫降低到這個點，他們將不能進一步降低溫度以保存能量。

其次，戴森的計劃需要一個鬧鈴，周期性地喚醒生物。這些鬧鈴在每次運行時間越來越長，消耗的能量卻越來越少的情況下，還必須運行得很精確。量子力學表明，這是不可能的。想像一個包括兩個小球的鬧鈴，先把這兩個小球拉開，然後放手，讓它們碰撞。當兩個小球碰撞時，敲響一次鈴。為了延長鬧鈴的間隔時間，生物體必須以更慢的速度釋放小球。但是，最後鬧鈴將遭遇海森堡不確定性原理的限制，這一原理表明：讓小球的速度和位置同時實現任意精度是不可能的。如果其中的一個小球不足夠準確，鬧鈴將會失效，結果冬眠變成了永久的休眠。

你也許想設計另外形式的、能永遠不受量子力學限制的時鐘，甚至把它整合到生物自身。然而，還沒有人能設計出這種既能可靠地喚醒生物，又不需要消耗能量的特殊裝置。

永生的牢籠

也是最基本的有關智慧生命長期進化的問題，是計算能力的基本限制。計算機科學家曾經認為，在每次執行計算時不可避免地會消耗一定的能量，而且這個能量正比於計算機的溫度。然而，20世紀80年代初，研究人員發現，某些物理過程，如量子效應和粒子在液體中的隨機布朗運動，可以用來作為無能耗計算機的主要組成成分。

這樣的計算機可在能耗無窮小的條件下工作。永恒生物體也可以像這樣，通過簡單地減慢速度，達到減少能耗的目的。但前提是，必須滿足下列兩種情況。首先，他們必須與周圍環境保持熱平衡；其次他們必須永不丟失信息。如果他們做不到，即計算變得不可逆了，那麼這個不可逆的熱力學過程必然消耗能量。

可悲的是，對一個膨脹的宇宙，那些情況是不可逾越的。在宇宙膨脹過程中，由於稀釋和波長變長，生物變得不能發射和吸收輻射，也就無法達到與周圍環境的熱平衡。而且，因為他們能處理的物質有限，所以記憶也有限，所以為了得到新的想法，他們不得不放棄先前的想法。從理論上講，這樣的生物能以什麼形式永恆存在呢？

他們只能收集一定數量的粒子和信息，並且這些粒子和信息只能以一定的形式存在。由於思想是對信息的重組，有限的信息意味著有限的思想。所有的生命所能做的只是再次經歷過去，不斷重複相同的思想。永恆成了「牢籠」，而不是一個無盡創新和探索的過程。這也許是一個天堂，但這樣的生命能算活著嗎？

值得一提的是，戴森從來沒有放棄過希望。在與我們的通信中，他指出，人類可以避開量子力學對能量和信息的限制，比如，通過增大體型或採用不同的思維形式。他頗有新意地提出，問題的關鍵在於：生命是「模擬」的還是「數字」的——即決定生命極限的，是「連續物理學」還是量子物理學。我們相信，經過相當長的旅程後，生命將是「數字」的。

永恒生命是否還存在其他希望？對生命永恆有很強阻礙的量子力學，也許能通過另外一種途徑拯救生命。比如，如果量子引力理論允許存在穩定的蟲洞，生命物質可以設法避開光速的極限壁壘，訪問用其他途徑無法接觸的那部分宇宙，收集到無限數量的能量和信息。再比如，他們可以構建一個「嬰兒」宇宙，然後把他們自己，或者一系列能用來重組自己的指令，傳送到這個「嬰兒」宇宙。在這種方式下，生命可以繼續。

不管如何，討論生命的終極之限似乎還有些早，只有在真正的宇宙學時間尺度上，它才會變得重要。然而，這個問題還是會讓一些人感到不安，因為可以確信，我們的物理化身肯定會有一個終結。不過想一想，雖然我們所知有限，卻可以對如此重大的問題得出結論，這是多麼奇妙的事情啊！

也許我們能認識迷人宇宙和人類自身的天數，比永遠居住在肉身裡面，更加有意義。

本文譯者：施建榮是國家天文台研究員，研究領域為恆星元素丰度的確定，特別是晚星恆星大氣中元素的非局部熱動平衡效應的研究，銀河系的化學演化。

《環球科學》2月刊現已上市

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