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流浪家园:如何打造太空方舟?
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每个文明都是离家出走的孩子

我时常想,假如站在地球、站在全部生命的立场上,人类到底给地球带来了什么好处。想来想去只有一条:假如有一天太阳爆炸了(或者变成红巨星),没有人类的话地球直接死定,只有人类才可能给地球带来一线生机……所以假如我是女娲、盖亚或者Xel'Naga(萨尔那加,游戏《星际争霸》中的神秘种族,创造了神族和虫族),造人类出来只有一个目的:滚出地球去!

若以此为前提的话,那么人类的太空生存就必须是长期的、稳定的且不依赖于地球或者任何一颗特定的行星。实现这一目的有两种思路:开放体系、封闭体系。(孤立体系没有讨论的必要了吧。)


封闭体系

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封闭体系中的缩微地球

所谓封闭体系,就是和外界只有能量交流,没有物质交流。我们运气很好,地球自己几乎就是一个现成的封闭体系,所以只需做一个缩小版的地球就可以了……

但是这个“只需”二字还真是轻描淡写啊。要打造一个缩小版的地球其实是不可能的,因为会遭遇万恶的尺度问题。

现实中的地球并不是仅有生物圈这么一个薄薄的壳层,地球的每一个成分都是至关重要的。这里只举一个例子:大家平常大概会很痛恨板块运动,没有板块运动的话火山地震这些自然灾害就会基本消失,多好啊!可是长远来看,板块运动却对地球的碳循环至关重要;而一个迷你地球却无法有效地维持这样的运动。

我们知道,硅酸岩的化学风化过程,是空气中的二氧化碳溶解了硅酸钙等物质,变成水溶性的碳酸氢根离子和硅酸;而这些离子流入大海之后由于离子浓度和pH值的变化,大部分会变成不溶的碳酸钙和二氧化硅,沉积在海底。全过程相当于空气中的二氧化碳被变成了海底的石灰岩,而这些石灰岩正常情况下是永远不能得见天日的。这个过程很慢,对减少人类几十年内的碳排放量没有多大帮助,然而放任它继续下去的话,只需一万年就可以耗尽现在空气中所有的二氧化碳,再过三十万年连海洋里溶解的二氧化碳也可以吃光,到时候绿色植物就完全无法生存了,更别提动物了。

不过地球已经存活了四十多亿年了,哪怕从绿色植物登陆算起也有四亿多年,好像一切都安然无恙啊,没听说出现过二氧化碳耗竭的事故。原因就在于板块运动:火山可以直接释放出大量的二氧化碳,岩浆的变质作用也可以使石灰岩成分改变,把二氧化碳还给大气。这几种力量的均衡维系了地球上碳的长期循环。不夸张地说,没有板块运动,地球就不会有生命。一般人只熟悉生物圈光合作用和呼吸作用形成的短期碳循环,现在人类使用化石燃料干扰的其实也是短期。但是太空生存嘛,怎么说也得以子子孙孙无穷匮也为目标吧……必须考虑到长期的影响。

遗憾的是,板块运动的根本动力来自于灼热的地幔,而地幔的运动是严重受到尺度影响的,不能随意放大缩小。且不讨论那些复杂的流体力学计算,光是最简单的一点就够麻烦了:如何维持地幔的温度。在这里无情的平方-立方定律又一次发威了:一个球的半径如果减半,那么表面积缩小到四分之一,可是体积却要缩到八分之一。既然热容量和体积成正比,那就意味着降温的速度是原来的两倍。(考虑到地幔对流因素的话,可能不是精确的两倍;但无论如何降温速度会变快的。)

我们的老邻居月球和地球几乎形成于同一时间,它的半径是地球的四分之一还多,可是现在已经冷成一块大石头,完全没了地质运动,磁场也几乎消失(只有表面的岩石存留一些磁性,没有类似地球的磁极),更不要说火山和岩浆了。人类应该不太可能造出一个月球那么大小的迷你地球,那么冷却速度就会更快。而这仅仅是一个例子而已,真正的问题远不止这一条。

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“生物圈二号”结构图

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“生物圈二号”实物图

解决方法倒也不是没有:抛开地球的模板,另起炉灶,从头构建一个生物圈——就像美国人做的“生物圈二号”那样。不过生物圈二号可悲地失败了……显然人类现在根本没有能力去事无巨细地“管理”一个生态系统;而不管理的话,这个山寨版生态圈很可能自发地演变到别的状态——一个让里面的生物依然繁盛、但不再适合人类居住的状态。也许我们可以向太空中发射一些这样的生态种子,但是没有人来掌管的话我觉得它们基本没有成功的可能。

但哪怕不考虑人的问题,小生态圈依然有一个致命的问题:太小(废话!)。岛屿生物地理学早有结论,越小的岛屿上生物灭绝的可能性越大,其中重要的原因是小岛上支持不了太多的生物个体,很容易因偶然因素而导致绝灭。一个由几只麻雀组成的种群很可能死得不明不白纯属偶然,比如传染病、被气枪打下来或者是撞到飞机上;但是全国的麻雀不可能同时出现意外事故。而一个物种一旦绝灭,就没法死里复活了。反过来说,越小的岛屿上,新物种形成的可能性也就越小,因为没有那么多遗传多样性,也没有那么多新生态位。总体而言,物种多样性是入不敷出的,难得长远。

也许将来自动化技术和生态学知识发达的时候,人类可以通过全方位调节来保证生态系统的稳定性,甚至完全抛弃自然生态系统,一切物质循环都由机器来完成。可惜目前咱们还做不到啊。假如世界末日现在降临,人类是造不出一个能用的封闭体系的。


开放体系

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利用恒星资源的“戴森球”的一种

要维持一个开放的体系就容易得多了,因为不用担心物质回收的问题。现实中最典型的大规模开放体系就是城市了:每天城市都要吞入大量的食物、水、空气,吐出大量的各种废弃物与污染物,但是它依然活得好好的,因为有周边的乡村地带作为它的缓冲。而在太空中,要维持大刘笔下《吞食者》那样的体系,也远比构建一个封闭可自持的生态圈要简单。

开放体系当然是不怎么道德的,有点像海盗那样一路航行一路抢,不过既然宇宙本身已经是黑暗森林了,恐怕也顾不上道德;本来道德就是以生存为前提的。真正的麻烦在于这种方式能否真正地养活自己。

假设我们的宇宙海盗科技较弱,没有可自持的工农业,必须依靠不断掠夺其它的文明来养活自己,如同吞食者文明那样,那么情况就不是很乐观。1961年,加州大学的德雷克提出了著名的德雷克方程,又名“绿岸方程”,用来推算银河系中的文明数目。按照他当初计算使用的参数,全银河系大概也只有10个文明,这样是几乎不可能“可持续发展”的。也许其它星系会好一些,但是很难想象就靠这10个文明能积累出足以跨星系旅行的物质基础,正如在近海开单桅帆船小打小闹的小海盗攒不起钱来驶向新大陆一样。当然,如果找到了能用的虫洞或者发明了空间跃迁那又是另一回事了。

更靠谱的可能性是:不依赖于具体文明,而尽量靠星际物质求得生存。已知的地外行星大约有百分之一含有水或水蒸气或冰,这比起有文明的星球来说概率大得多。假如这类“基本物质”能够找到充足来源,那么我们的海盗只需要自备全套工农业生产体系就可以,不用带上整个生物圈。但是这么做的风险是,依然难以保证掠夺的稳定性。

航行到汪洋大海之中却断水断粮是最可怕的事情,而假如一个太空海盗没有母港,可以说迟早会遇到这种事件。别的不说,农业产生的甲烷就是大麻烦:目前全世界的牛每年产生约五万吨甲烷,自然情况下大部分甲烷是和对流层里的羟基自由基反应从而消耗掉,但只有工农业、没有全套生态系统的宇宙飞船根本没有对流层,这些甲烷也就难以处理。所以,虽然名义上是开放体系,但是依然不能像城市那样放肆,起码要具备一个小规模的生态圈和足够强的物质循环能力(不过不需要百分之百回收)。


多体系平衡

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分布式群体网络舰群

不管是封闭体系、开放体系还是有一定自我维持能力的“半开放体系”,都有一个老问题:对极端风险的抵抗能力太低。太空冷酷而凶险,各种五花八门的意外事故从黑洞到小行星群到超新星爆发,层出不穷,没有任何一艘飞船敢于宣称自己永不沉没。而一旦体系崩溃,就没有恢复的机会了。把鸡蛋放在同一个篮子里,迟早会一起打碎。

但是简单地增加篮子的数量也不是好办法。毕竟上面说过,越小的体系越不稳定,越容易出危险;而假如每艘飞船都是相互独立,不相往来的话,对形势的帮助也不很大。个人以为,要想万世长存,最佳的情况是大量的小飞船形成一个分布式群体网络。

其实人类历史上也没有几个群体长盛不衰的,风水轮流转,只要一个群体存在时间足够长,肯定会倒霉。但是如果有足够多的有差异的群体,你方唱罢我登场,而且群体之间存在紧密联系,失败的可能性就会大大降低。哥伦布在葡萄牙碰了钉子还可以去找西班牙王室,郑和要是没了皇帝资助就完全抓瞎,区别即在此。不过要想让小飞船有效地联络,它们的距离就不能太远;而距离过近的话又会出现资源竞争。最理想的情况是,在掠夺资源时并不竭泽而渔,使得被一艘飞船掠夺过的行星,隔一段时间下一艘飞船到来时依然有价值。(比如,可以在掠夺二氧化碳和水的同时把飞船上的甲烷就地排放在行星上,利用行星自身大气层完成物质循环。)

假如这幅图景真的能够实现,那么我们就从宇宙海盗变身为宇宙游牧民:驾驶着一群群飞船,在行星群之间穿梭往来,收割资源,同时把废料排放在行星上待其自然循环。但是,为了防止公地悲剧,这对庞大的飞船群管理也提出了很高的要求:要保证把足够的物质回馈给行星,要保证排放的废料不会引发行星本身大气结构剧变(比如显然不能把氧气大规模排放到还原性大气中),要保证不把持续危害性的物质(比如长半衰期的核废料)大规模排放到行星上,要保证不对某几颗行星过度掠夺。这需要游牧民之间存在极强的相互监管体系和惩罚机制,甚至可能需要一套全新的宇宙道德。

这应该是最可持续也最安全的太空生存方式,不依赖于任何一艘船,不依赖于任何一颗具体的行星,不惧怕任何局部性的突发事件,唯一依赖的只有我们自己对人类社会的掌控能力。我只希望,到那时人类会比现在更聪明,更有自控力。其实大刘的想法很对,决定宇宙图景的未必是物理学,很可能是社会学。


部分图片来源:《EVE 霸主》;mavericuniverse.wikia.com;STARGATE•ATLANTIS设定


假如高考作文可以科幻——2011高考作文题科幻小说征文比赛

假如高考作文可以科幻——那些看起来傻乎乎的题目,会开出什么样的花朵?你会如何展开你的想象之翼?我们相信,每一个想象力都能找到舞台。高考的镣铐,将在你的手里变成双节棍。

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The End

发布于2011-06-03, 本文版权属于凤凰网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系凤凰

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古生物学博士生,科学松鼠会成员

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