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圖片來源：pixabay 卡爾達(dá)舍夫等級(jí)將能利用整個(gè)行星、恒星和星系能量的文明分別分為I型、Ⅱ型和Ⅲ型文明。目前人類是0.728級(jí)文明，按照以往的能量增長(zhǎng)速率，我們大概能在2347年左右成為I型文明。但是，盲目地利用能源可能是個(gè)陷阱，野蠻發(fā)展帶來的氣候危機(jī)可能是宇宙所有文明的“大過濾器”，為了讓人類文明長(zhǎng)久發(fā)展，我們必須轉(zhuǎn)換自己的能源結(jié)構(gòu)。在這種情況下，我們又將在何時(shí)成為I型文明呢？ 撰文 | 王昱 審校 | 二七 一個(gè)文明的發(fā)展是多方面的，人口、經(jīng)濟(jì)、軍事、文化、科技等都可以作為衡量文明等級(jí)的準(zhǔn)繩。但這些方面所代表的往往只是文明的冰山一角，并且難以量化對(duì)比。對(duì)物理學(xué)家這群不想關(guān)注細(xì)節(jié)的“懶人”而言，整個(gè)文明的能耗便成了最方便的參數(shù)。一方面，它反映了整個(gè)文明利用能源的能力，這與整個(gè)文明的人口、經(jīng)濟(jì)與技術(shù)實(shí)力息息相關(guān)；另一方面，它又是一個(gè)非常具體的數(shù)字，可以量化分析。 這就是卡爾達(dá)舍夫等級(jí)（Kardashev Scale）誕生的邏輯。蘇聯(lián)天文學(xué)家尼古拉·卡爾達(dá)舍夫（Николай Кардашёв）在1964年提出了這個(gè)概念，他用能量級(jí)將文明分為3個(gè)等級(jí)：I型、Ⅱ型和Ⅲ型，這些文明分別可以利用一顆行星，一顆恒星和一個(gè)星系的能量。
圖片來源：wikipedia I型文明是行星級(jí)文明。這種文明可以充分利用宿主恒星（對(duì)人類而言，是太陽）傳遞到其母星（地球）上的能量，也能充分利用這顆行星自身包含的能量（化石能源、核能等），對(duì)應(yīng)的能耗為101?W。 Ⅱ型文明是恒星級(jí)文明。恒星主要通過發(fā)光的方式向外傳遞能量，太陽向外輻射能量的總功率為4×102?W，Ⅱ型文明對(duì)應(yīng)的能耗指標(biāo)就為102?W。根據(jù)E=mc2計(jì)算，相當(dāng)于每11秒，這個(gè)文明就能消耗掉西湖水總質(zhì)量對(duì)應(yīng)的能量。為了收集這么多能源，Ⅱ型文明可能會(huì)建造一些能源巨構(gòu)，比如戴森球。戴森球上可能還有計(jì)算功能，為了充分利用能量，這樣的結(jié)構(gòu)甚至可能是多層的，一層戴森球的廢熱可以為下一層戴森球提供能量，形成俄羅斯套娃腦（matryoshka brain）。Ⅱ型文明應(yīng)該已經(jīng)掌握了一些非常遙遠(yuǎn)的科幻級(jí)技術(shù)，比如正反物質(zhì)湮滅引擎、制造小型黑洞等。 Ⅲ型文明是星系級(jí)文明。銀河系的總亮度為4×103?W，考慮到整個(gè)星系實(shí)在太過龐大，只要整個(gè)文明的能耗達(dá)到銀河系總亮度的2.5%，也就是103?W，我們就能將它稱為Ⅲ型文明。對(duì)于這種級(jí)別的文明，或許連時(shí)空本身都能隨意操控，它們或許能制造蟲洞或超大質(zhì)量黑洞。這種文明的技術(shù)實(shí)力應(yīng)該已經(jīng)完全超出了我們的認(rèn)知，我們應(yīng)該無法想象他們擁有的技術(shù)。 卡爾達(dá)舍夫等級(jí)并不是離散、分立的，它其實(shí)可以通過一個(gè)對(duì)數(shù)公式表示。如果一個(gè)文明的全部能源消耗為P，那么這個(gè)文明對(duì)應(yīng)的卡爾達(dá)舍夫等級(jí)K可以表示為：
根據(jù)國(guó)際能源署的數(shù)據(jù)，2018年全球能源消費(fèi)為14 281 889千噸油當(dāng)量（能量單位，kTOE，kilo ton oil equivalent），大約為1.90×1013W。再由上述公式計(jì)算可得，地球上的人類文明目前屬于0.728級(jí)文明。 過去，人類能源消費(fèi)大約是按照指數(shù)增長(zhǎng)的——每年增長(zhǎng)的能源消費(fèi)制造了更多機(jī)器，能讓我們?cè)谙乱荒晗母嗄茉础Ｈ绻麅H僅按照以往的增長(zhǎng)率簡(jiǎn)單粗暴地進(jìn)行擬合，就能發(fā)現(xiàn)我們大約能在2347年左右成為I型文明，在幾千年后成為Ⅱ型文明，在幾十萬年后成為Ⅲ型文明。 能源的陷阱 不過，這只是一個(gè)很粗略的估計(jì)。它只是根據(jù)過去人類能源增長(zhǎng)率來估計(jì)未來，并沒有考慮實(shí)際的限制，過于樂觀。而且，國(guó)際能源署所使用的這個(gè)單位讓我們不由得想起一些不妙的事情——化石能源的環(huán)境威脅。雖然只是用石油來等效，但是化石能源現(xiàn)在確確實(shí)實(shí)給整個(gè)地球的環(huán)境帶來了很多危害。正如美國(guó)生物學(xué)家艾德華·威爾森（Edward Osborne Wilson）曾說的：“人類真正面對(duì)的問題是：我們擁有舊石器時(shí)代的情感，中世紀(jì)的制度和宛若神明的技術(shù)。”我們的文明也正在面臨嚴(yán)峻的氣候危機(jī)。甚至有人認(rèn)為，文明在向I型文明發(fā)展的過程就是一個(gè)“大過濾器”（Great Filter），增長(zhǎng)的能源消費(fèi)會(huì)帶來劇烈的氣候變化，從而導(dǎo)致文明滅亡。因此，沒有文明能達(dá)到更高的等級(jí)——這可能就是“費(fèi)米悖論”的解釋，也是還沒有外星人和我們建立聯(lián)系的原因。 現(xiàn)在，意識(shí)到氣候危機(jī)的人類正在嘗試限制自身的碳排放。比如，我國(guó)就提出，到2030年全國(guó)二氧化碳排放量達(dá)到峰值；到2060年非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到80%以上，全國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和。而歐盟諸國(guó)和美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家則計(jì)劃到2050年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。未來的幾十年，人類整體的能源結(jié)構(gòu)也許將面臨巨大的轉(zhuǎn)型。 在這種背景下，我們必須重新審視各種能源的變化，重新計(jì)算人類成為I型文明的時(shí)間。最近，一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)在預(yù)印本網(wǎng)站上公布了他們的研究結(jié)果，他們根據(jù)《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》（UNFCCC）的政策和建議，以及國(guó)際能源署（IEA）對(duì)未來幾十年能源消耗的預(yù)測(cè)，開發(fā)了一個(gè)更詳細(xì)的影響模型，估計(jì)人類在此框架下成為I型文明的時(shí)間。他們的結(jié)論是，如果人類將主要能源轉(zhuǎn)換為清潔能源，大概能在2371年左右成為I型文明。 轉(zhuǎn)型的考驗(yàn) 模型顯示，如果全球各國(guó)都履行自己的承諾，那么在2040年代，人類將會(huì)快速降低對(duì)化石能源的依賴。到2050年左右，化石能源的消耗會(huì)迅速降低到相對(duì)很低的水平。
（a）、（b）、（c）分別為人類對(duì)煤炭、天然氣和原油的消費(fèi)，黑色為指數(shù)模型，紅色為影響模型，藍(lán)色為國(guó)際能源署歷史數(shù)據(jù)。圖片來源：原論文 在化石能源快速衰減的同時(shí)，太陽能、風(fēng)能、水力、地?zé)岬瓤稍偕茉磳?huì)基本維持指數(shù)發(fā)展模式，甚至?xí)铀侔l(fā)展彌補(bǔ)減少化石能源帶來的漏洞。 而還有一種不容忽視卻頗受爭(zhēng)議的能源——核能。國(guó)際能源署表示：“從歷史上看，核電一直是全球無碳電力的最大貢獻(xiàn)者之一，并且具有幫助電力行業(yè)脫碳的巨大潛力?！边^去50年中，核能減少了550億噸二氧化碳排放，幾乎相當(dāng)于人類2年二氧化碳排放的總和。
從1971年到2018年全球核電供應(yīng)量。圖片來源：原論文 但在多數(shù)人心中，核電始終是可怕的存在。1986年的切爾諾貝利核事故和2011年的福島核事故讓所有人都心有余悸，1986年后，全球核電增速減緩，2011年全球核電發(fā)電量甚至出現(xiàn)了明顯的倒退。就算核電是非常安全的能源，發(fā)展速度也不得不受此影響而放緩。按照國(guó)際能源署安全數(shù)據(jù)表（Safety Data Sheet，SDS）的最理想估計(jì)，未來核電的年平均增長(zhǎng)率大約為2.47%。
不同條件下的核能發(fā)展情況。黑線為已有數(shù)據(jù)、紅色虛線為不再建設(shè)新的核電站、藍(lán)色虛線為只建設(shè)規(guī)劃中的核電站、綠色虛線為按照國(guó)際能源署安全數(shù)據(jù)表規(guī)劃、建設(shè)核電站。圖片來源：原論文 在這種限制下，可再生能源總量將達(dá)到核電的兩倍左右。
紅色為可再生能源、黑色為核能。圖片來源：原論文 在這樣的估計(jì)下，全人類的能源消耗反而可能會(huì)在2030年左右下降，在2050年左右到達(dá)最低值。這是能源轉(zhuǎn)型的陣痛，但卻是我們阻止全球變暖，不讓人類陷入“大過濾器”的唯一辦法。之后，或許人類的能源消費(fèi)能回歸指數(shù)級(jí)別增長(zhǎng)，在用20～30年完成能源轉(zhuǎn)型的情況下，在2371年左右，我們或許能就能安全地成為I型文明。
對(duì)人類文明等級(jí)的預(yù)測(cè)。圖片來源：原論文 雖然卡爾達(dá)舍夫等級(jí)是個(gè)非常直截了當(dāng)?shù)南拗?，但它只是故事的一半。我們固然需要大量能源，但能源的使用效率同樣重要。在倡?dǎo)綠色節(jié)能的今天，越來越多低能耗的技術(shù)被開發(fā)了出來，用更少的能源，實(shí)現(xiàn)同樣、甚至更好的效果。或許，只有當(dāng)我們不需要僅僅依靠支配的能源來評(píng)判文明的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，我們的文明才能得到真正的進(jìn)步。 參考文獻(xiàn)： https://www./astrophysicists-estimate-when-humanity-could-become-a-type-i-civilization https://www./data-and-statistics 《環(huán)球科學(xué)》5月新刊銷售中 |
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