【人类距离I型文明并不遥远，可能只差300多年】
//新浪探索 2022-05-08 12:15
//以下文章来源于环球科学 ，作者环球科学
图片来源：pixabay
卡尔达舍夫等级将能利用整个行星、恒星和星系能量的文明分别分为I型、Ⅱ型和Ⅲ型文明。目前人类是0.728级文明，按照以往的能量增长速率，我们大概能在2347年左右成为I型文明。但是，盲目地利用能源可能是个陷阱，野蛮发展带来的气候危机可能是宇宙所有文明的“大过滤器”，为了让人类文明长久发展，我们必须转换自己的能源结构。在这种情况下，我们又将在何时成为I型文明呢？
撰文 | 王昱
审校 | 二七
一个文明的发展是多方面的，人口、经济、军事、文化、科技等都可以作为衡量文明等级的准绳。但这些方面所代表的往往只是文明的冰山一角，并且难以量化对比。对物理学家这群不想关注细节的“懒人”而言，整个文明的能耗便成了最方便的参数。一方面，它反映了整个文明利用能源的能力，这与整个文明的人口、经济与技术实力息息相关；另一方面，它又是一个非常具体的数字，可以量化分析。
这就是卡尔达舍夫等级（Kardashev Scale）诞生的逻辑。苏联天文学家尼古拉·卡尔达舍夫（Николай Кардашёв）在1964年提出了这个概念，他用能量级将文明分为3个等级：I型、Ⅱ型和Ⅲ型，这些文明分别可以利用一颗行星，一颗恒星和一个星系的能量。
图片来源：wikipedia
I型文明是行星级文明。这种文明可以充分利用宿主恒星（对人类而言，是太阳）传递到其母星（地球）上的能量，也能充分利用这颗行星自身包含的能量（化石能源、核能等），对应的能耗为10¹⁶W。
Ⅱ型文明是恒星级文明。恒星主要通过发光的方式向外传递能量，太阳向外辐射能量的总功率为4×10²⁶W，Ⅱ型文明对应的能耗指标就为10²⁶W。根据E=mc²计算，相当于每11秒，这个文明就能消耗掉西湖水总质量对应的能量。为了收集这么多能源，Ⅱ型文明可能会建造一些能源巨构，比如戴森球。戴森球上可能还有计算功能，为了充分利用能量，这样的结构甚至可能是多层的，一层戴森球的废热可以为下一层戴森球提供能量，形成俄罗斯套娃脑（matryoshka brain）。Ⅱ型文明应该已经掌握了一些非常遥远的科幻级技术，比如正反物质湮灭引擎、制造小型黑洞等。
Ⅲ型文明是星系级文明。银河系的总亮度为4×10³⁷W，考虑到整个星系实在太过庞大，只要整个文明的能耗达到银河系总亮度的2.5%，也就是10³⁶W，我们就能将它称为Ⅲ型文明。对于这种级别的文明，或许连时空本身都能随意操控，它们或许能制造虫洞或超大质量黑洞。这种文明的技术实力应该已经完全超出了我们的认知，我们应该无法想象他们拥有的技术。
卡尔达舍夫等级并不是离散、分立的，它其实可以通过一个对数公式表示。如果一个文明的全部能源消耗为P，那么这个文明对应的卡尔达舍夫等级K可以表示为：
根据国际能源署的数据，2018年全球能源消费为14 281 889千吨油当量（能量单位，kTOE，kilo ton oil equivalent），大约为1.90×10¹³W。再由上述公式计算可得，地球上的人类文明目前属于0.728级文明。
过去，人类能源消费大约是按照指数增长的——每年增长的能源消费制造了更多机器，能让我们在下一年消耗更多能源。如果仅仅按照以往的增长率简单粗暴地进行拟合，就能发现我们大约能在2347年左右成为I型文明，在几千年后成为Ⅱ型文明，在几十万年后成为Ⅲ型文明。
能源的陷阱
不过，这只是一个很粗略的估计。它只是根据过去人类能源增长率来估计未来，并没有考虑实际的限制，过于乐观。而且，国际能源署所使用的这个单位让我们不由得想起一些不妙的事情——化石能源的环境威胁。虽然只是用石油来等效，但是化石能源现在确确实实给整个地球的环境带来了很多危害。正如美国生物学家艾德华·威尔森（Edward Osborne Wilson）曾说的：“人类真正面对的问题是：我们拥有旧石器时代的情感，中世纪的制度和宛若神明的技术。”我们的文明也正在面临严峻的气候危机。甚至有人认为，文明在向I型文明发展的过程就是一个“大过滤器”（Great Filter），增长的能源消费会带来剧烈的气候变化，从而导致文明灭亡。因此，没有文明能达到更高的等级——这可能就是“费米悖论”的解释，也是还没有外星人和我们建立联系的原因。
现在，意识到气候危机的人类正在尝试限制自身的碳排放。比如，我国就提出，到2030年全国二氧化碳排放量达到峰值；到2060年非化石能源消费比重达到80%以上，全国实现碳中和。而欧盟诸国和美国等发达国家则计划到2050年实现碳中和目标。未来的几十年，人类整体的能源结构也许将面临巨大的转型。
在这种背景下，我们必须重新审视各种能源的变化，重新计算人类成为I型文明的时间。最近，一个国际研究团队在预印本网站上公布了他们的研究结果，他们根据《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC）的政策和建议，以及国际能源署（IEA）对未来几十年能源消耗的预测，开发了一个更详细的影响模型，估计人类在此框架下成为I型文明的时间。他们的结论是，如果人类将主要能源转换为清洁能源，大概能在2371年左右成为I型文明。
转型的考验
模型显示，如果全球各国都履行自己的承诺，那么在2040年代，人类将会快速降低对化石能源的依赖。到2050年左右，化石能源的消耗会迅速降低到相对很低的水平。
（a）、（b）、（c）分别为人类对煤炭、天然气和原油的消费，黑色为指数模型，红色为影响模型，蓝色为国际能源署历史数据。
图片来源：原论文
在化石能源快速衰减的同时，太阳能、风能、水力、地热等可再生能源将会基本维持指数发展模式，甚至会加速发展弥补减少化石能源带来的漏洞。
而还有一种不容忽视却颇受争议的能源——核能。国际能源署表示：“从历史上看，核电一直是全球无碳电力的最大贡献者之一，并且具有帮助电力行业脱碳的巨大潜力。”过去50年中，核能减少了550亿吨二氧化碳排放，几乎相当于人类2年二氧化碳排放的总和。
从1971年到2018年全球核电供应量。
图片来源：原论文
但在多数人心中，核电始终是可怕的存在。1986年的切尔诺贝利核事故和2011年的福岛核事故让所有人都心有余悸，1986年后，全球核电增速减缓，2011年全球核电发电量甚至出现了明显的倒退。就算核电是非常安全的能源，发展速度也不得不受此影响而放缓。按照国际能源署安全数据表（Safety Data Sheet，SDS）的最理想估计，未来核电的年平均增长率大约为2.47%。
不同条件下的核能发展情况。黑线为已有数据、红色虚线为不再建设新的核电站、蓝色虚线为只建设规划中的核电站、绿色虚线为按照国际能源署安全数据表规划、建设核电站。
图片来源：原论文
在这种限制下，可再生能源总量将达到核电的两倍左右。
红色为可再生能源、黑色为核能。图片来源：原论文
在这样的估计下，全人类的能源消耗反而可能会在2030年左右下降，在2050年左右到达最低值。这是能源转型的阵痛，但却是我们阻止全球变暖，不让人类陷入“大过滤器”的唯一办法。之后，或许人类的能源消费能回归指数级别增长，在用20～30年完成能源转型的情况下，在2371年左右，我们或许能就能安全地成为I型文明。
对人类文明等级的预测。图片来源：原论文
虽然卡尔达舍夫等级是个非常直截了当的限制，但它只是故事的一半。我们固然需要大量能源，但能源的使用效率同样重要。在倡导绿色节能的今天，越来越多低能耗的技术被开发了出来，用更少的能源，实现同样、甚至更好的效果。或许，只有当我们不需要仅仅依靠支配的能源来评判文明的标准时，我们的文明才能得到真正的进步。
详情：https://t.cn/A6XGieOx
//新浪探索 2022-05-08 12:15
//以下文章来源于环球科学 ，作者环球科学
图片来源：pixabay
卡尔达舍夫等级将能利用整个行星、恒星和星系能量的文明分别分为I型、Ⅱ型和Ⅲ型文明。目前人类是0.728级文明，按照以往的能量增长速率，我们大概能在2347年左右成为I型文明。但是，盲目地利用能源可能是个陷阱，野蛮发展带来的气候危机可能是宇宙所有文明的“大过滤器”，为了让人类文明长久发展，我们必须转换自己的能源结构。在这种情况下，我们又将在何时成为I型文明呢？
撰文 | 王昱
审校 | 二七
一个文明的发展是多方面的，人口、经济、军事、文化、科技等都可以作为衡量文明等级的准绳。但这些方面所代表的往往只是文明的冰山一角，并且难以量化对比。对物理学家这群不想关注细节的“懒人”而言，整个文明的能耗便成了最方便的参数。一方面，它反映了整个文明利用能源的能力，这与整个文明的人口、经济与技术实力息息相关；另一方面，它又是一个非常具体的数字，可以量化分析。
这就是卡尔达舍夫等级（Kardashev Scale）诞生的逻辑。苏联天文学家尼古拉·卡尔达舍夫（Николай Кардашёв）在1964年提出了这个概念，他用能量级将文明分为3个等级：I型、Ⅱ型和Ⅲ型，这些文明分别可以利用一颗行星，一颗恒星和一个星系的能量。
图片来源：wikipedia
I型文明是行星级文明。这种文明可以充分利用宿主恒星（对人类而言，是太阳）传递到其母星（地球）上的能量，也能充分利用这颗行星自身包含的能量（化石能源、核能等），对应的能耗为10¹⁶W。
Ⅱ型文明是恒星级文明。恒星主要通过发光的方式向外传递能量，太阳向外辐射能量的总功率为4×10²⁶W，Ⅱ型文明对应的能耗指标就为10²⁶W。根据E=mc²计算，相当于每11秒，这个文明就能消耗掉西湖水总质量对应的能量。为了收集这么多能源，Ⅱ型文明可能会建造一些能源巨构，比如戴森球。戴森球上可能还有计算功能，为了充分利用能量，这样的结构甚至可能是多层的，一层戴森球的废热可以为下一层戴森球提供能量，形成俄罗斯套娃脑（matryoshka brain）。Ⅱ型文明应该已经掌握了一些非常遥远的科幻级技术，比如正反物质湮灭引擎、制造小型黑洞等。
Ⅲ型文明是星系级文明。银河系的总亮度为4×10³⁷W，考虑到整个星系实在太过庞大，只要整个文明的能耗达到银河系总亮度的2.5%，也就是10³⁶W，我们就能将它称为Ⅲ型文明。对于这种级别的文明，或许连时空本身都能随意操控，它们或许能制造虫洞或超大质量黑洞。这种文明的技术实力应该已经完全超出了我们的认知，我们应该无法想象他们拥有的技术。
卡尔达舍夫等级并不是离散、分立的，它其实可以通过一个对数公式表示。如果一个文明的全部能源消耗为P，那么这个文明对应的卡尔达舍夫等级K可以表示为：
根据国际能源署的数据，2018年全球能源消费为14 281 889千吨油当量（能量单位，kTOE，kilo ton oil equivalent），大约为1.90×10¹³W。再由上述公式计算可得，地球上的人类文明目前属于0.728级文明。
过去，人类能源消费大约是按照指数增长的——每年增长的能源消费制造了更多机器，能让我们在下一年消耗更多能源。如果仅仅按照以往的增长率简单粗暴地进行拟合，就能发现我们大约能在2347年左右成为I型文明，在几千年后成为Ⅱ型文明，在几十万年后成为Ⅲ型文明。
能源的陷阱
不过，这只是一个很粗略的估计。它只是根据过去人类能源增长率来估计未来，并没有考虑实际的限制，过于乐观。而且，国际能源署所使用的这个单位让我们不由得想起一些不妙的事情——化石能源的环境威胁。虽然只是用石油来等效，但是化石能源现在确确实实给整个地球的环境带来了很多危害。正如美国生物学家艾德华·威尔森（Edward Osborne Wilson）曾说的：“人类真正面对的问题是：我们拥有旧石器时代的情感，中世纪的制度和宛若神明的技术。”我们的文明也正在面临严峻的气候危机。甚至有人认为，文明在向I型文明发展的过程就是一个“大过滤器”（Great Filter），增长的能源消费会带来剧烈的气候变化，从而导致文明灭亡。因此，没有文明能达到更高的等级——这可能就是“费米悖论”的解释，也是还没有外星人和我们建立联系的原因。
现在，意识到气候危机的人类正在尝试限制自身的碳排放。比如，我国就提出，到2030年全国二氧化碳排放量达到峰值；到2060年非化石能源消费比重达到80%以上，全国实现碳中和。而欧盟诸国和美国等发达国家则计划到2050年实现碳中和目标。未来的几十年，人类整体的能源结构也许将面临巨大的转型。
在这种背景下，我们必须重新审视各种能源的变化，重新计算人类成为I型文明的时间。最近，一个国际研究团队在预印本网站上公布了他们的研究结果，他们根据《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC）的政策和建议，以及国际能源署（IEA）对未来几十年能源消耗的预测，开发了一个更详细的影响模型，估计人类在此框架下成为I型文明的时间。他们的结论是，如果人类将主要能源转换为清洁能源，大概能在2371年左右成为I型文明。
转型的考验
模型显示，如果全球各国都履行自己的承诺，那么在2040年代，人类将会快速降低对化石能源的依赖。到2050年左右，化石能源的消耗会迅速降低到相对很低的水平。
（a）、（b）、（c）分别为人类对煤炭、天然气和原油的消费，黑色为指数模型，红色为影响模型，蓝色为国际能源署历史数据。
图片来源：原论文
在化石能源快速衰减的同时，太阳能、风能、水力、地热等可再生能源将会基本维持指数发展模式，甚至会加速发展弥补减少化石能源带来的漏洞。
而还有一种不容忽视却颇受争议的能源——核能。国际能源署表示：“从历史上看，核电一直是全球无碳电力的最大贡献者之一，并且具有帮助电力行业脱碳的巨大潜力。”过去50年中，核能减少了550亿吨二氧化碳排放，几乎相当于人类2年二氧化碳排放的总和。
从1971年到2018年全球核电供应量。
图片来源：原论文
但在多数人心中，核电始终是可怕的存在。1986年的切尔诺贝利核事故和2011年的福岛核事故让所有人都心有余悸，1986年后，全球核电增速减缓，2011年全球核电发电量甚至出现了明显的倒退。就算核电是非常安全的能源，发展速度也不得不受此影响而放缓。按照国际能源署安全数据表（Safety Data Sheet，SDS）的最理想估计，未来核电的年平均增长率大约为2.47%。
不同条件下的核能发展情况。黑线为已有数据、红色虚线为不再建设新的核电站、蓝色虚线为只建设规划中的核电站、绿色虚线为按照国际能源署安全数据表规划、建设核电站。
图片来源：原论文
在这种限制下，可再生能源总量将达到核电的两倍左右。
红色为可再生能源、黑色为核能。图片来源：原论文
在这样的估计下，全人类的能源消耗反而可能会在2030年左右下降，在2050年左右到达最低值。这是能源转型的阵痛，但却是我们阻止全球变暖，不让人类陷入“大过滤器”的唯一办法。之后，或许人类的能源消费能回归指数级别增长，在用20～30年完成能源转型的情况下，在2371年左右，我们或许能就能安全地成为I型文明。
对人类文明等级的预测。图片来源：原论文
虽然卡尔达舍夫等级是个非常直截了当的限制，但它只是故事的一半。我们固然需要大量能源，但能源的使用效率同样重要。在倡导绿色节能的今天，越来越多低能耗的技术被开发了出来，用更少的能源，实现同样、甚至更好的效果。或许，只有当我们不需要仅仅依靠支配的能源来评判文明的标准时，我们的文明才能得到真正的进步。
详情：https://t.cn/A6XGieOx
【#天文学家发现宇宙最大星系# 直径是银河系150倍】英国《每日邮报》网站2月21日发表题为《天文学家发现已知的宇宙最大星系》的报道，全文摘编如下：
天文学家发现了已知最大的星系，其直径是银河系的153倍。
这个名为“阿尔库俄纽斯”的星系距地球约30亿光年。它的直径约为1630万光年。
相比之下，银河系的直径不足10.6万光年。
天文学家已认定“阿尔库俄纽斯”是一个巨型射电星系。它包含一个宿主星系，以及从其中心爆发出的大规模喷流和射电瓣。
人们对这些神秘的射电星系知之甚少，但专家认为，与它们相关的喷流和射电瓣是位于星系中心的一个活跃的超大质量黑洞的副产品。如果黑洞“吞食”其周围的巨大盘状结构中的物质，它就是一个“活跃”的黑洞。
不过，并非所有这些物质最终都会越过“视界”，因为其中一小部分会从物质盘的内部区域传输到两极，在那里，这些物质会以等离子体喷流的形式被释放到太空中。这些喷流能够以光速飞行很远，然后扩散成巨大的射电瓣。
尽管“阿尔库俄纽斯”是一个巨大的星系，但它发出的射电瓣的类型却并不特殊。我们知道，银河系也有射电瓣。
但就“阿尔库俄纽斯”和其他类似的巨型星系而言，最神秘的事情之一是，它们是如何变得如此巨大的。
荷兰莱顿天文台领导的一组研究人员希望，他们有关“阿尔库俄纽斯”的研究成果能有助于揭示射电星系是如何形成的，以及它们为何如此巨大。
莱顿天文台的马丁·奥伊在预印版研究论文中说：“如果存在这样一些宿主星系特征，而这些特征是巨型射电星系生长的重要原因，那么最大的巨型射电星系的宿主就有可能具备这些特征。”
他说：“同样地，如果存在非常有利于巨型射电星系成长的特定的大尺度环境，那么最大的巨型射电星系可能就身处其中。”
奥伊及其团队发现这个已知最大星系时，正在欧洲的低频阵列（LOFAR）射电望远镜收集的数据中寻找异常值。
LOFAR由约2万个无线电天线组成。这些天线分布在欧洲的52个地方。
研究人员必须从图像中移除致密射电源，以帮助探测射电瓣，并修正任何光学失真现象，这转而使他们找到了“阿尔库俄纽斯”。
参与这项研究的天文学家说，这个已知最大星系周围有一个“宇宙网”，其质量是太阳质量的2400亿倍。他们还认为，位于“阿尔库俄纽斯”中心的超大质量黑洞的质量是太阳质量的约4亿倍。
尽管这两个参数听起来都很庞大，但就巨型射电星系而言，它们实际上处于数值范围中较低的那一端。
研究论文的作者们写道：“除几何构造外，‘阿尔库俄纽斯’及其宿主出奇地普通：总的低频光亮密度、恒星质量和超大质量黑洞质量都低于一般的巨型射电星系。”
他们说：“因此，要形成巨型星系，规模非常大的星系或中央黑洞都不是必要的，而如果科学家观测到的状态能代表其一生中的射电源，那么高射电功率也不是必要的。”
研究人员希望，他们的研究能帮助天文学家更多地了解射电星系如何起源、“阿尔库俄纽斯”能以何种速度成长多少，以及是否存在更大的星系。
研究论文将发表在《天文和天体物理学》周刊上。https://t.cn/A664yiga
天文学家发现了已知最大的星系，其直径是银河系的153倍。
这个名为“阿尔库俄纽斯”的星系距地球约30亿光年。它的直径约为1630万光年。
相比之下，银河系的直径不足10.6万光年。
天文学家已认定“阿尔库俄纽斯”是一个巨型射电星系。它包含一个宿主星系，以及从其中心爆发出的大规模喷流和射电瓣。
人们对这些神秘的射电星系知之甚少，但专家认为，与它们相关的喷流和射电瓣是位于星系中心的一个活跃的超大质量黑洞的副产品。如果黑洞“吞食”其周围的巨大盘状结构中的物质，它就是一个“活跃”的黑洞。
不过，并非所有这些物质最终都会越过“视界”，因为其中一小部分会从物质盘的内部区域传输到两极，在那里，这些物质会以等离子体喷流的形式被释放到太空中。这些喷流能够以光速飞行很远，然后扩散成巨大的射电瓣。
尽管“阿尔库俄纽斯”是一个巨大的星系，但它发出的射电瓣的类型却并不特殊。我们知道，银河系也有射电瓣。
但就“阿尔库俄纽斯”和其他类似的巨型星系而言，最神秘的事情之一是，它们是如何变得如此巨大的。
荷兰莱顿天文台领导的一组研究人员希望，他们有关“阿尔库俄纽斯”的研究成果能有助于揭示射电星系是如何形成的，以及它们为何如此巨大。
莱顿天文台的马丁·奥伊在预印版研究论文中说：“如果存在这样一些宿主星系特征，而这些特征是巨型射电星系生长的重要原因，那么最大的巨型射电星系的宿主就有可能具备这些特征。”
他说：“同样地，如果存在非常有利于巨型射电星系成长的特定的大尺度环境，那么最大的巨型射电星系可能就身处其中。”
奥伊及其团队发现这个已知最大星系时，正在欧洲的低频阵列（LOFAR）射电望远镜收集的数据中寻找异常值。
LOFAR由约2万个无线电天线组成。这些天线分布在欧洲的52个地方。
研究人员必须从图像中移除致密射电源，以帮助探测射电瓣，并修正任何光学失真现象，这转而使他们找到了“阿尔库俄纽斯”。
参与这项研究的天文学家说，这个已知最大星系周围有一个“宇宙网”，其质量是太阳质量的2400亿倍。他们还认为，位于“阿尔库俄纽斯”中心的超大质量黑洞的质量是太阳质量的约4亿倍。
尽管这两个参数听起来都很庞大，但就巨型射电星系而言，它们实际上处于数值范围中较低的那一端。
研究论文的作者们写道：“除几何构造外，‘阿尔库俄纽斯’及其宿主出奇地普通：总的低频光亮密度、恒星质量和超大质量黑洞质量都低于一般的巨型射电星系。”
他们说：“因此，要形成巨型星系，规模非常大的星系或中央黑洞都不是必要的，而如果科学家观测到的状态能代表其一生中的射电源，那么高射电功率也不是必要的。”
研究人员希望，他们的研究能帮助天文学家更多地了解射电星系如何起源、“阿尔库俄纽斯”能以何种速度成长多少，以及是否存在更大的星系。
研究论文将发表在《天文和天体物理学》周刊上。https://t.cn/A664yiga
我们在地球上用眼睛观测到的星系很少，除银河系外，只有临近几个，其中最著名的是仙女座大星系，但这个星系离我们大约200万光年，虽然它比银河系大60%，形状与银河系相似，但我们看上去只是一个光亮的斑点。有时为了方便，天文学家把遥远的几个星系称做星系群，大一些的叫星系团，每个星系团含有100个以上的星系；所有星系团统属于超星系团，超星系团组成总星系，也就是所谓茫无边际的宇宙。
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