宇宙文明——我们要去哪里？

人类总是带着某种程度的好奇心看着夜空，夹杂着对未知的恐惧。一些难以形容的东西，直接写进我们的本性，引导我们去探索宇宙最深处。人类已经访问了月球，并计划在那里建立一个殖民地，作为通往太阳系其他目的地的门户。

作为一个文明，我们最近的目标是站在月球上，也许在未来，殖民我们恒星系统中的所有行星。但是我们能走多远呢？文明发展的极限是什么？人类能取得什么深不可测的成就？答案可能就在卡尔达肖夫量表上。

能源

1964年，天文学家尼古拉·卡尔达舍夫（Nikolai Kardashev）用3个等级来定义一个文明的发展水平[1]。他的规模是基于能量的。他相当合理地假设，一个文明越先进，它利用的能量就越多。

因此，他将文明分为3类能量：I型，利用其主行星的全部能量，II型，利用自己恒星的全部能量，III型，在银河系尺度上收集能量。还存在一个0型划分，即低于1型的任何文明。3类文明的能源使用阈值如下：0型（西经10¹⁶以下）、I型（西经10¹⁶以上）、II型（西经10¹⁶以上）和III型（西经10³⁶以上）[2]。最近，其他天文学家扩展了卡尔达肖夫的尺度，增加了另外两种类型的文明：IV型（2⁴⁶W）甚至V-VII型。

假设最高类型的文明能够收获整个宇宙的能量，如果物理定律允许的话。因此，一般来说，文明可以通过其能源消耗来描述和分类。任何关于卡尔达肖夫规模上不同阶级文明能力的假设都纯粹是假设：人类还没有在银河系中遇到任何其他文明。

0型文明：发展中的文明

0型文明被称为“前行星”。它利用从地球自身资源中获得的总可能能量的一部分，如化石燃料或地热能（以及次要的外部来源，例如主星辐射的一小部分）。这样的文明在卡尔达肖夫的尺度上被认为是原始的，但不得不提到的是，人类目前只比0型更接近I型。

与地球上可用的全部能量（包括所有核燃料，所有阳光，所有风，潮汐能）相比，我们几乎没有开始消耗大量能量。然而，我们在开发地球上大多数不可再生能源（如化石燃料）方面做得“相当不错”。使用最新的估计，人类将在卡尔达肖夫的尺度上约为0.73[3]。

请记住，0级文明的跨度是巨大的：从细菌利用来自地热阳光喷口的一小部分能量，到使用比人类多得多（并且更先进）的文明。我们距离完成我们的Type 0阶段还有很长的路要走。

我们已经朝着1型文明迈出了第一步：我们已经知道如何利用地球的大部分力量。从建立大型轨道太阳能电池板设施等疯狂的概念，到大型地热资源，我们对如何获得地球上大部分可用能源有一个粗略的想法。乐观主义者会说，人类达到第一类文明只是何时以及如何确切的问题，而不是如果。

确实存在一个悲观的论点，称为“大过滤器”假说[4]，但这是另一篇文章的主题。简而言之，该理论指出，宇宙中缺乏可观测的高度发达的文明证明了存在一种“过滤器”机制，阻止文明达到I型或更高级别。这方面的例子可能是疾病，无法控制的气候变化，甚至是更高的权力。如果没有什么能阻止我们达到I型，那么I型文明的能力就是如此。

第一型：掌握我们自己的星球

第一类文明能够使用和储存相当于他们星球上所有能量的能量。这包括从主星到达地球的所有辐射，地热能，化学能和核能。这样一个文明的资源仍然非常有限，但这样一个文明将完全控制自己的星球。

请注意，卡尔达肖夫的规模不一定需要使用太阳能或地热或核能：它只需要获得等效的能级，因此文明可以使用反物质或核聚变来获得其所有能量，完全省略热能或太阳能。只要文明能用10^16至 10^26瓦特的力量，它是一级文明[2]。

这种文明的能力将包括控制其宿主星球的气候和天气，甚至可能控制板块构造。这样的文明可能会发展出先进的太空飞行能力。我们无法估计这样一个文明发展的确切路径，但我们可以估计以下关于人类的信息：在到达或处于I型文明期间，我们将：

• 在大部分太阳系中拥有先进的太空飞行能力。有效载荷的发射将由先进的机制进行（截至目前，轨道升力，轨道弹射器或大炮似乎有些希望。我们最新的尝试是可重复使用的火箭，但I型文明可能会为此目的使用更先进的设备）。

• 在最初的I型文明中，月球或火星上可能存在小殖民地。在I型后期阶段，人类将用先进的自我维持殖民地殖民太阳系的大部分地区。后面的步骤对于迈向II型至关重要。

• 我们的电力能力将足够高，可以发送信号，这些信号可以被银河系大部分地区的另一个I型文明接收。

卡尔达肖夫规模的下一步将是文明开始向II型发展。II型文明将能够利用相当于其主星的能量。在进入这个阶段的开始，人类将拥有相当于整个地球的能量。如前所述，这可以使用反物质或聚变来处理。

然而，我们只知道一种可行的方法可以达到文明II的能量使用水平：直接从主星收集能量。一种方法是通过戴森球[5]。戴森球是一个假设的结构，它将围绕整个恒星，并被设备覆盖（例如太阳能电池板，尽管我们预计这些在人类建造这样的结构时已经过时），这些设备从恒星的所有辐射中收集能量。最初，建造可能会从建造一个较小的环开始，只收集恒星辐射的一小部分。这后来被扩大到侵占整个恒星。这是通往第二类文明的道路。

截至目前，我们对物理学的理解限制了达到这种能量可用性水平的任何其他途径。除非存在一些未知的自发产生反物质的方法，否则我们最好的选择是直接从主星的辐射中获取能量，以实现II型。

第二型：太阳系的统治者

第二类文明对我们来说几乎是深不可测的。他们的技术将被视为类似于魔法或巫术。对于II型文明，只有少数能力可以相对肯定地说：

1. 如果存在其他具有类似进步的文明，整个银河系的通信很容易建立。这可以使用目前使用的无线电波进行，但更有可能使用更奇特的技术。不可能肯定地说这一点，但不能排除这样的文明将通过局部改变时空来获得调节引力波的能力。这将允许他们通过引力波发送传输。迄今为止，还没有检测到这样的传输，我们不知道有任何机制可以用来改变这个能量尺度的时空（引力波可以通过碰撞黑洞和其他能量过程发射，但这些可能位于II型领域之外）。这些文明也可能使用我们还不了解的其他交流形式。

2. 这样的文明将对他们的太阳系有中等到完全的控制。行星可能会被开采以获得建造戴森球的材料。文明可能生活在戴森球的表面，因为系统中的所有行星和小行星都将转化为戴森球的材料。

3. 如果使用替代能源来达到这种进步水平，并且行星体仍然不受影响地存在于系统中，那么它们都可能被地球化以适应文明的生活或制造过程。这样的文明甚至有可能自由地改变其系统中行星和小行星的轨道，并在必要时安排它们。

4. 除非有意隐藏自己，或使用未知的能量产生方法，否则即使是邻近恒星系统中不太先进的文明也很容易探测到这样的文明。例如，由于恒星辐射转化为其他形式的能量效率低下而导致的任何热辐射都可以使用红外望远镜进行探测。戴森球或戴森环很容易被探测到，因为主星的亮度变化很快，因为它被部分结构遮挡了。

5. 星际旅行将成为可能。随着文明接近下一个III型，它将变得越来越普遍。大规模星际旅行的发展将是发展到III型的必要条件（因为在银河系范围内收集能量的唯一已知方法是直接从银河系中的所有恒星中获取能量，或者至少从中央超大质量黑洞中获取能量）。在这个发展水平上，星际旅行将被迫使用奇特的技术。我们无法想象这样一个文明的航行会是什么样子。我们可以推测诸如Alcubierre曲速驱动器之类的技术，允许明显超光速的旅行，或者使用虫洞立即穿越银河系的很远的距离。然而，我们对这种星际旅行背后的物理学没有具体的理解，因此我们的猜测可能会被证明是错误的。

6. 在这种进步水平上，文明可能会“打破”目前所理解的物理定律。这可以通过例如局部改变物理常数来完成。这是一个纯粹的推测，因为我们没有办法理解这种假设的机制，然而，研究表明，一些物理常数可能会随时间变化[6]。由于我们对这种假设过程没有了解和证据，因此很难说出它们的结果可能是什么，但也许它们可以通过改变黑洞周围的常数G来局部产生能量，或者快速穿越银河系，尽管这目前仍处于科幻小说的领域。

第三型：银河文明

第三类文明将取得令人难以置信的先进。他们将收获相当于整个银河系的能量。在发展的早期阶段，这样的文明将殖民银河系中的大部分恒星，并开始用戴森球包围它们。星际旅行将是一件微不足道的日常活动。我们没有已知的在银河系尺度上收集能量的机制，除了传统上通过使用戴森球直接从恒星收集能量，或者人为地使超新星引爆恒星并从这些剧烈爆炸中收集能量。在其发展之初，即使使用Type 0技术，这样的文明也很容易被发现。如果超新星是在星系中大规模人为制造的，我们会注意到使用望远镜在这个星系中超新星的比率异常高。这样的文明还可以将恒星“喂入”黑洞，并从吸积盘中收集由此产生的光子发射。如果戴森球主要用于这样一个星系，我们会注意到戴森球仍在周围建造的恒星亮度的快速变化。银河系将“闪烁”，因为新建的巨型结构遮挡了星光。然而，在发展的后期阶段，这样的文明将很难被发现：他们的行为和技术对我们来说可能是如此难以理解，以至于我们甚至不知道要寻找什么。对于这样一个文明来说，无线电传输可能是一种过时和原始的通信方式。在发展的后期阶段，这样的文明甚至可能是看不见的：在用戴森球包围银河系中的所有恒星之后，从外面看，银河系会变得黑暗，因为没有星光被允许到达戴森球体之外。我们没有基础来讨论这些文明所拥有的技术，但在这里我们描述了一些我们知道可以被这些文明在银河系规模上利用的机制：

1）使用彭罗斯过程直接从黑洞中收集能量[7]。这个过程从旋转黑洞的旋转动量中提取能量。

2）故意使恒星变成超新星并立即收集它们的全部能量。

3）大规模物质-反物质相互作用。我们不知道任何大到足以提供这种反应的反物质来源，但恒星大小的物质团块可以被反物质湮灭，在此过程中释放出大量能量。

结论：

人类刚刚开始卡尔达肖夫规模的旅程。它可能会在未来几百年内达到I型文明水平，假设没有“大过滤器”事件发生。如果人类没有在小行星撞击中灭绝，没有被气候变化、海洋水平上升、贫困、饥饿或疾病从地球表面抹去，它可能有机会最终爬上卡尔达肖夫的阶梯。一旦达到第一类文明，人类将面临新的挑战和新的机遇。社会需要完全重新设计以适应多行星的生活方式，但我们最终将有机会探索，首先是我们自己的太阳系，其次是我们的邻近恒星，如果一切顺利，银河系。

本文是Karol Masztalerz（曼彻斯特大学物理与天文学系）和Magdalena Osial（华沙大学化学系）的联合作品，是科学大使馆项目的一部分。图片来源 – 马格达莱纳·奥西亚尔。

引用

[1] M. M. Ćirković，卡尔达舍夫在50+的分类：来自改进空间的精美车辆，塞尔维亚天文学报，2015，191，1-15

[2] G.A. Lemarchand， Detectability of Extraterrestrial Technical Activities， SETIQuest， 1994， 1， 3-13

[3]BP2019年世界能源统计评论，检索自：https://www.bp.com/content/dam/bp/business-sites/en/global/corporate/pdfs/energy-economics/statistical-review/bp-stats-review-2019-full-report.pdf（25.08.2021访问）

[4] D. Adler，《大过滤器：费米悖论的可能解决方案》，天文学，2020年，检索自 https://astronomy.com/news/2020/11/the-great-filter-a-possible-solution-to-the-fermi-paradox（25年08月2021日访问）

[5] A. Mann，什么是戴森球？，Space.com，2019 年，检索自 https://www.space.com/dyson-sphere.html（25.08.2021 访问）

[6] M.R. Wilczynska， J.K. Webb， M. Bainbridge， J.D. Barrow， S. Bosman， R.F. Carswell， M.P. Dąbrowski， V. Dumont， C.C. Lee， A.C. Leite， K. Leszczyńska， J. Liske， K. Marosek， C. Martins， D. Milaković， P. Molaro， L. Pasquini， 13亿年前精细结构常数的四种直接测量， 科学进展， 2020， 6（17）.https://doi.org/10.1126/sciadv.aay9672

[7] J. D. Schmittman，碰撞彭罗斯过程，广义相对论和引力施普林格科学和商业媒体有限责任公司，2018 年，检索自 https://arxiv.org/abs/1910.02800（25.08.2021 访问）