大殖民时代：光速上限下人类文明最多能殖民多少个星系？
文摘
2024-12-17 00:00
广东
生命的延续和发展离不开资源，向外开拓是生命的本能。一旦人类的技术满足星际殖民的要求，可以想见人类文明势必突破地球引力的禁锢向宇宙扩散。我们的未来是星辰大海，可是星际殖民的极限在哪呢？人类文明最多能殖民多少个星系？下图是纪念齐奥尔科夫斯基的邮票。可观测宇宙又被称之为哈勃球或哈勃泡，现代天文学的观测证据表明宇宙产生于138亿年前的宇宙大爆炸，在宇宙大爆炸后的极短时间内宇宙发生了指数爆炸式的暴涨，在暴涨结束后宇宙逐渐冷却并缓慢膨胀，直到今天。正是宇宙诞生之初的快速暴涨，导致哈勃球的半径不是138亿光年，而是460亿光年。现代天文学研究表明哈勃球中包含着约2万亿个星系，估算恒星数量超过1亿亿亿个，类似地球的可殖民行星的数量可达1万亿亿个，哈勃球的总质量估计为1.5x10^53kg。由于狭义相对论中任何物质的运动速度都无法超过光速，因为一旦物体的运动速度接近光速，则物体的质量也会趋向于无穷大，这时候我们驱动物体运动的能量也趋近于无穷大。而无穷大的质量和能量在物理学中是不可能的，一旦物质的质量和密度达到临界点，根据广义相对论，时空会在引力作用下坍塌为一个黑洞。所以在理论上我们是无法使用光速飞船殖民整个哈勃球的，甚至即使我们有哈勃球也无法殖民整个哈勃球，这是为什么呢？这是因为哈勃常数的存在。伟大的哈勃不仅是可观测宇宙哈勃球名字的由来，哈勃也是现代天文学的创始人：他使用天文望远镜发现了银河系外其他星系的存在，并且他证明了宇宙在膨胀，星系之间在相互远离。至于星系之间相互远离的速度或宇宙膨胀速度被称之为哈勃常数。目前测得的哈勃常数值为73.5km/Mpc.S，即两个星系之间每相隔100万秒差距（326万光年），它们之间相互远离的速度就增加73.5千米每秒。通过这个数字我们计算出哈勃球边缘星系同地球的相互远离速度为每秒103.7千米，也就是哈勃球边缘的星系正在以3倍多光速远离地球和逃离哈勃球，因为哈勃球的膨胀速度是光速，而哈勃球边缘的星系远离速度已经远远超过了光速。事实上我们利用光速飞船仅仅能殖民那些逃逸速度低于光速的星系，也就是138亿光年以内的星系，超过这个范围的星系我们使用光速飞船也永远追不上！下面的照片是哈勃和他的天文望远镜。好吧！既然连哈勃球这2万亿个星系的资源都无法全部获取，我们就退而求其次去殖民这138亿光年以内的空间，可是似乎也不太可行。为什么呢？答案前面已经说了，正是狭义相对论的制约。不过假设我们可以研发出摆脱需要无穷能量的光速飞船，则我们可以殖民半径138亿光年内全部空间，这时可以殖民多少星系呢？按照哈勃球内估计有2万亿个星系计算，138亿光年的可殖民宇宙中含有740亿个星系。如果我们的飞船降速到光速的50%，我们能够殖民的星系数量将会下降到不到100亿个。事实上殖民速度将决定我们能够殖民星系的总数，因为我们要时刻与光速和暗能量竞赛。暗能量推动越来越多的星系远离我们，即便我们建成一个拥有数百万个星系的庞大帝国，暗能量也将在接下来的几百亿年内将这个帝国切割成几千块互不隶属的部分。现代宇宙学解释了一幅宇宙在永恒膨胀中，星系在暗能量的推动下彼此远离的图景，远离的速度取决于哈勃常数的值。目前的研究结果表明1000亿年以后我们的哈勃球将只剩下银河系孤零零的一个星系，其他星系将逃逸出可观测宇宙外，那时其他星系上或许早已布满了人类，但是他们将再也无法与地球交流联系。种种的研究结果无疑揭示了一副文明和生命发展至不可逾越上限，只能在时间的流逝中等来宇宙和自我毁灭的凄惨结局。除非未来的智慧生命能打破光速的禁锢，这样不仅可以殖民远超光速极限允许范围外的星系，还可以开拓至哈勃球其他地方，直至哈勃球以外的宇宙空间。不过读者朋友也不用过于悲观，即便我们未来只能殖民100亿个星系（要达到这一步并不难，只需人类未来的殖民速度达到0.5倍光速），我们也能获得极为巨大的资源和能量。我们可以从这么大的空间内获得多少资源和能量呢？可以计算一下：哈勃球的质量（含暗物质和暗能量）为1.5x10^53kg，则包含100亿个星系的空间包含的物质质量为7.5x10^50kg，根据爱因斯坦质能方程式可以得出物质全部转化可以得到6.75x10^60焦耳的能量，代入卡达尔肖夫文明指数公式得到的结果约为6级文明。也就是说一个6级文明可以在1秒钟内耗尽100亿个星系的全部能源。
