不幸的是，有时候集体的愚蠢会为我们招致更快的自我毁灭。既然没有人想看到这样的结果，为什么我们这个物种还会“集体自杀”，即所谓的“人类灭绝”呢？以人类目前的智力水平和情感成熟度来说，我们偶尔会有误判、误解和无能的时候，结果，我们的历史就充满了事故和战争等灾难，而这些灾难在事后看来，完全是没有人想要的。经济学家和数学家用优美的博弈论解释了这些现象，说明了人们是如何被激励，做出一些可能会给每个人都带来灾难性后果的事情。[6]
核战争，人之鲁莽的后果
你可能会认为，风险越大，我们就会越谨慎。但是，只要仔细研究一下目前的技术可能带来的最大风险，即全球性的热核战争，你就会发现答案并不令人放心。我们不得不依靠运气来解决诸多千钧一发的危急情况，从计算机故障和断电，再到错误情报、导航误差、战斗机坠毁和卫星爆炸等[7]。事实上，如果不是因为某些人的英雄行为，例如瓦西里·阿尔希波夫和斯坦尼斯拉夫·彼得罗夫，地球上可能早已爆发了全球性的核战争。考虑到人类过去的“成绩”，我认为，如果我们继续保持现在的行为，那么，每年爆发意外核战争的概率就不可能低至千分之一。即便低到千分之一，我们在1万年内爆发核战争的概率也超过1–0.99910 000≈99.995%。
若想充分了解人类的鲁莽程度，我们必须意识到一个事实——“核赌局”其实早在我们仔细研究核技术的风险之前就开始了。
第一，我们低估了辐射风险。仅在美国，支付给铀处理和核实验的辐射受害者的赔偿金就已经超过了20亿美元[8]。
第二，人们后来终于发现，如果氢弹在地球上空数百公里爆炸，就会产生强烈的电磁脉冲，可能使得广大地区的电网和电子设备无法使用（如图5-2所示），导致基础设施瘫痪，公路上堵满坏掉的车辆，极大地降低人们的生存条件。比如，美国电磁脉冲委员会报告说“水利基础设施是一架庞大的机器，虽然它一部分靠重力驱动，但主要是靠电力”，而人类断水仅3～4天就可能死亡。[9]
第三，在过去的40年间，人类部署了63 000枚氢弹，但直到40年后我们才意识到核冬天的破坏力，无论是哪个国家的城市被氢弹袭击，上升至对流层高层的大量烟雾都可能扩散到全球，阻挡阳光，将夏天变成冬天，就像过去小行星或超级火山造成大规模灭绝事件时一样。当美国和苏联科学家在20世纪80年代敲响警钟时[10]，才促成了里根总统和戈尔巴乔夫决定开始削减氢弹库存。如果进行更精确的计算，就能绘制出一幅更为惨淡的图画。如图5-3所示，惨剧一旦发生，在头两个夏天里，美国、欧洲、俄罗斯和中国的大部分核心农业区的温度将下降20℃（36华氏度），俄罗斯的一些地方甚至会下降35℃；即使在10年后，温度还是会下降一半(49)。这意味着什么？你不需要太多农业经验就可以得出结论：多年接近冰点的夏季气温将会摧毁大部分粮食生产。很难预测，当几千座大城市变成残垣断瓦，全球基础设施崩塌之后，究竟会发生什么事。但是，即便少部分人不会变得饥寒交迫，我们依然需要解决许多问题，比如体温过低、疾病、武装黑帮抢夺食物等。
图5-2 一颗氢弹的破坏力
注：一颗氢弹在地球上空400km处爆炸，将会导致强烈的电磁脉冲，会严重影响广大区域内的所有需要用电的科技产品。如果将爆炸点向东南方向移动，美国东海岸的大部分地区都会被那个超过37 500伏特／米的香蕉形区域所覆盖。这张图片来自美国军方报告第AD-A278230号（非保密）。
我已经对全球核战争的情景进行了深入详细的探讨。最关键的一点是，尽管没有哪个理性的世界大国希望这样的结果出现，但它还是可能会意外发生。这意味着，我们不能相信我们的同类不会拉着我们走上“人类灭绝”之路，虽然没有人想要这种结果，并这不足以阻止它的发生。
图5-3 核战争可能导致的气温变化
注：这张图展示了，假设美国和俄罗斯之间爆发全面核战争，头两个夏天的全球气温降低程度（以摄氏度来表示）。图片经授权，来自美国气象学者阿兰·罗伯克（Alan Robock）。[11]
世界末日装置
我们真的可以阻止人类灭绝吗？即使全球核战争可能会杀死90%的人，但大多数科学家猜测，它不会将人类赶尽杀绝，因此人类并不会灭绝。但是，核辐射、核电磁脉冲和核冬天的故事都表明，我们可能还不知道最大的危害究竟是什么。要想预见核战争之后的各个方面以及各个因素之间的相互作用，是非常困难的，比如核冬天、基础设施崩溃、升高的基因突变水平以及极端的武装分子如何与其他问题，比如新的流行病、生态系统崩溃及我们还没有想象到的其他问题等相互作用。因此我个人估计，尽管未来的核战争让人类灭绝的可能性并不大，但我们不能武断地说，这种可能性一定为零。
如果我们将今天的核武器升级为蓄意的“世界末日装置”（doomsday device），那么，人类灭绝的概率就会大大增加。美国兰德公司（RAND）战略家赫曼·卡恩（Herman Kahn）在1960年提出了“世界末日装置”这个概念，并因斯坦利·库布里克（Stanley Kubrick）的电影《奇爱博士》而得到了广泛传播。世界末日装置将“确保互相摧毁”（mutually assured destruction）范式发挥到了极致，它是完美的威慑。简单来说，世界末日装置就是一种机器，当遭到任何敌人袭击时，它就会自动启动，实施报复，手段是杀死所有人类。
世界末日装置的一个候选方案是将所谓的“盐核弹”埋在巨大的地下储藏室内。盐核弹是指周围包裹着大量钴元素的巨大氢弹。物理学家利奥·西拉德在1950年就提出，世界末日装置能够杀死地球上的所有人。因为氢弹爆炸会促使钴元素产生辐射，并将其吹入平流层。钴元素辐射5年的半衰期长短合适，长到足以遍布全世界，尤其是当两个相同的世界末日装置被放置在相对的半球时，但又短到足以造成致命的辐射伤害。媒体报道显示，如今有人正在制造第一颗钴弹。如果再加入一些会使平流层注入更多气溶胶的炸弹来加剧核冬天，那人类灭绝的概率就会陡升。世界末日装置的一个主要卖点是，它比传统的核威慑便宜得多：因为炸弹不需要发射，因此不需要昂贵的导弹系统；并且，炸弹本身的制造成本也更便宜，因为它们不需要为了能塞进导弹里而设计得轻巧。
还有一种可能的世界末日装置是，依靠生物学，用定制设计的细菌或病毒来杀死所有人。目前这种装置尚不存在，或许在未来可以被发明出来。只要它的传播性足够高，潜伏期足够长，那么，还不到有人意识到它的存在并采取反制措施，它就能将所有人杀死。即使它不能杀死所有人，人类依然对这种生物武器展开了军事讨论：把核武器、生物武器和其他武器结合起来，就能产生最有效的世界末日装置，最大限度地威慑敌人。
人工智能武器
第三种会让人类走向灭绝的路线可能是人工智能武器的愚蠢。假设一个超级大国建造了几十亿架第3章中提到过的那种黄蜂大小的杀手无人机，并利用它们杀死除自己公民和盟友之外的所有人。这些人工智能识别谋杀对象的方法是，通过无线射频识别标签进行远程识别，就像超市识别食物一样。这些标签可以通过安全手环分发给所有公民，也可以像极权主义情形中讲过的那样，经皮肤植入。
这个举动可能会刺激敌对的超级大国也建造类似的东西。当战争意外爆发时，所有的人都会被杀死，甚至是毫无瓜葛的遥远部落也不例外，因为没有人会佩戴上两个国家的两种身份标签。将这种方法与“核＋生物”末日装置相结合，将进一步加大灭绝全人类的概率。
你想要什么样的未来
本章开头，我请你思考，你想让当前的通用人工智能研究之争驶向何方。现在，我们已经探索了许多可能的情景，你喜欢哪一些？而哪些又是你认为我们应当尽力避免的呢？哪一个情景是你最喜欢的？请在http://AgeOfAi.org上加入讨论吧，让我和其他读者了解你的想法！
我们讨论的几种情形显然并没有穷尽所有的可能性，许多细节也不甚清晰，但我努力做到包罗万象，试图把整个“谱系”都包含进来，从高科技水平到低科技水平，再到零科技水平，并试着描述现有文献中所表达的主要希望和恐惧。
写这部分章节时，最好玩的事情就是倾听我的朋友和同事讲述他们对这些情景的想法。有趣的是，他们没有达成任何共识。只有一件每个人都同意的事情：这些选择比他们最初想象的要微妙得多。有的人可能喜欢其中一种情景，但他们发现其中也有一个或一些让他们讨厌的地方。对于我来说，这意味着人类应当继续深化关于未来目标的对话，这样我们才知道未来的方向。生命的宇宙潜力是宏大的，令人心生敬畏。因此，我们不要把它变成一艘没有舵手、漫无目的四处漂流的船！
那么，未来的潜力到底有多大呢？无论技术多么发达，生命3.0在宇宙中进化和传播的能力都会受到物理定律的限制。那么，今后几十亿年的终极限制是什么呢？人类是孤单的吗？还是说，我们的宇宙现在已经充满了外星生命，只是我们还不知道？假如不同的宇宙文明相遇，又会发生什么呢？我们将在下一章探讨这些迷人的问题。
本章要点
◦ 目前，朝着通用人工智能前进的研究竞赛可能会在接下来的1 000年中带给我们许多不同的可能性。
◦ 超级智能可能与人类和平共处的原因有两种，要么它们是被迫这么做，即“被奴役的神”情景，要么它是发自内心想要与人类和平共处的“友好的人工智能”，也就是“自由主义乌托邦”“守护神”“善意的独裁者”和“动物园管理员”情景。
◦ 超级智能也可能不会出现，原因可能有几种：可能是被人工智能（“守门人”情景）或人类（“1984”情景）阻止了，也可能是因为人们选择刻意遗忘技术（“逆转”情景）或失去了建造它的动机（“平等主义乌托邦”情景）。
◦ 人类可能会走向灭绝，并被人工智能取代（“征服者”或“后裔”情景），也可能什么都不剩下（“自我毁灭”情景）。
◦ 在这些情景中，有人们想要的吗？如果有，是什么，或者是哪些呢？关于这个问题，人们还没有达成任何共识。虽然每种情景中都有许多令人讨厌的元素，但重要的是，我们必须继续深入探讨有关未来目标的问题，这样，我们才不会漫无目的地驶入一个不幸的未来。
我认为，迄今为止最鼓舞人心的科学发现莫过于：我们极大地低估了生命的未来潜力。我们的梦想和抱负不应当局限于被疾病、贫穷和猜疑所困扰的短短百年寿命。相反，在科技的帮助下，生命有潜力兴盛长达几十亿年，不仅存在于我们的太阳系里，而且会遍布整个庞大的宇宙，散播到我们的祖先无法想象的遥远边界。天高任鸟飞，海阔凭鱼跃。
对一个不断在突破极限的物种来说，这是一个令人振奋的消息。奥运会赞美对力量、速度、敏捷度和耐力极限的突破；科学颂扬对知识和理解极限的突破；文学和艺术讴歌对美好丰富体验的创造极限的突破；许多人、组织和国家嘉许资源、领土和寿命的不断增加。鉴于我们人类对突破极限的痴迷，所以，很容易想到有史以来最畅销的书籍不是别的，正是《吉尼斯世界纪录大全》。
那么，假如人类过去的寿命上限可以被科技的力量打破，那么，什么才是终极的极限呢？宇宙中到底有多少物质能够获得生命？生命可以走多远，延续多久？生命能够利用多少物质？它又能萃取出多少能量、信息和计算？这些终极计算不是由我们的理解能力来决定的，而是取决于物理定律。具有讽刺意味的是，这反而让分析生命的长期未来比分析其短期未来更加容易。
如果我们将138亿年的宇宙历史压缩到一个星期的时间里，那么，前两章讲述的一万年不过区区半秒钟时间。这意味着，尽管我们无法预测智能爆炸是否会发生、如何发生及其后果如何，这一切动荡只不过是宇宙历史上的须臾一瞬，其细节不会影响生命的终极极限。如果智能爆炸后的生命依然像今天的人类一样执迷于极限突破，那么，它将会发展出技术来实际到达这些极限，因为它有这样的能力。在本章中，我们将探索这些极限究竟是什么，从而一窥生命的长远未来是什么模样。由于这些限制是基于我们目前的物理学知识，所以，它们只应被看作下限：未来的科学发现可能会带来更好的机会。
然而，未来的生命是不是一定会如此有野心？不，我们不确定。也许它们会变得像瘾君子或者整天躺在沙发上看永不完结的真人秀《与卡戴珊同行》的人那样满足。然而，我们有理由猜测，野心可能是高级生命的普遍特征。无论它想要最大化什么东西，可能是智力、寿命、知识或是有趣的体验，都需要资源。因此，未来生命有动力将科技推向终极极限，以充分利用它的资源。在此之后，如果它还想获得更多的资源，唯一的途径就是不断向宇宙深处扩张，占领越来越大的空间。
而且，生命可能会独立起源于宇宙各处。在这种情况下，没有野心的文明在宇宙尺度上是无关紧要的，因为宇宙大部分的资源禀赋最终都会被最有野心的生命形式所占领。因此，一场“自然选择”就在宇宙尺度上展开了。于是过一段时间，几乎所有幸存的生命都是有野心的。总之，如果我们对“宇宙最终有多少物质能获得生命”这一问题感兴趣，那么我们就应该研究在物理定律的限制下，野心能达到什么极限。让我们开工吧！我们先来探讨一下太阳系的资源，也就是物质和能量等可以拿来做些什么，然后再转而探讨如何通过太空探索和建立太空殖民地来获得更多的资源。
让资源物尽其用
今天的超市和商品交易场所都在出售成千上万的物品，我们把这些物品称为“资源”。而达到了技术极限的未来生命只需要一种基本资源：那就是所谓的重子物质，它是由原子或其组成成分夸克和电子组成的一切物质。无论这些物质是什么，未来生命都可以利用先进的技术将其重新组合成任何它们想要的物质或物体，例如发电厂、计算机和高级生命形式等。因此，我们先来考察一下这些先进生命形式自身及其思考所需的信息处理有没有什么能量限制。
建造戴森球
谈到未来的生命，最乐观的梦想家之一莫过于弗里曼·戴森了。过去20年来，我非常荣幸也很高兴能认识他。但当我第一次见到戴森的时候，感到十分紧张。当时，我还是一名初级博士后，正在普林斯顿高级研究所的餐厅里和我的朋友们吃午饭。突然，这个曾与爱因斯坦和库尔特·哥德尔谈笑风生的世界知名物理学家竟然走过来自我介绍，并询问是否可以和我们一起吃饭！不过，我的紧张感很快就被他打消了。因为他说，比起老教授，他更喜欢和年轻人共进午餐。在我写下这段文字时，戴森已经93岁了，但他的灵魂比我认识的大多数人都年轻。他眼中闪烁的孩子般的光芒表明，他根本不在乎什么形式主义、学术等级或传统观点。想法越大胆，他就越兴奋。
当我们谈到能源使用问题时，他笑叹我们人类太没有野心了。他指出，只要我们能完全利用小于撒哈拉沙漠0.5%面积上的阳光，就能满足当前全球的能源需求。但为什么要止步于此呢？为什么不捕捉照射到地球上的所有阳光，而让它们浪费在空荡荡的空间里呢？为什么不干脆把太阳发射出的所有能量都给生命使用呢？
受到奥拉夫·斯塔普雷顿（Olaf Stapledon）1937年的经典科幻小说《造星者》（Star Maker）的启发，戴森在1960年提出了建造“戴森球”的想法[1]。戴森的想法是将木星重新组合成一个围绕着太阳的球壳状的生物圈，在这里，我们的后代能够繁荣起来，享受比现在的人类多1 000亿倍的生物量和多1万亿倍的能量[2]。戴森认为这是自然而然的下一步：“人们应该想到，在进入工业发展阶段的几千年后，任何智能物种都应该能建造和居住在一个完全包围母星的人造生物圈中。”如果你住在戴森球的内部，就不会有夜晚，你总能看到太阳挂在你头顶上。在天空中，你会看到阳光从生物圈的其他部分反射出来，横跨整个天际，就像我们现在看到月球反射太阳光一样。如果想看星星，你只需要“爬上楼”，来到戴森球的外部，就能看到整个宇宙。
构建一个局部的戴森球有一种低技术的操作方法，那就是在太阳周围建造一个环形的轨道，将栖息地放在上面。为了将太阳完全包围，可以在太阳周围添加轴心和距离略微不同的圆环，以避免碰撞。但这些快速移动的环状结构有一些麻烦，比如它们不能连接彼此，让交通和通信变得十分困难。为了避免这些麻烦，你也可以选择建造一个固定的整体戴森球，在那里，太阳向内的万有引力与向外的辐射压相互平衡——这个想法是由物理学家罗伯特·福沃德（Robert L. Forward）和科林·麦金尼斯（Colin McInnes）率先提出来的。要建造这种球体，可以依靠逐步添加越来越多的“静态卫星”（statites）来实现：这是一种位置固定的卫星，可以用太阳的辐射压而不是离心力来抵消太阳的万有引力。这两种力都与离太阳的距离平方成反比，这意味着，如果它们在某一个距离能够达到平衡，那么，在任意其他距离，也可以很容易地达到平衡，让我们可以在太阳系任意地方停泊。静态卫星必须由极端轻巧的片状结构组成，每平方米只有0.77克，比纸还轻100倍，但这还不是最厉害的材料，一层石墨烯(50)比这还轻1 000倍。如果戴森球是用来反射而不是吸收大部分的阳光，那么，在其内部反射的光的总强度将大大增加，从而进一步提高辐射压和戴森球中可支撑的质量。许多其他恒星的亮度比我们的太阳高几千倍甚至几百万倍，相应地，也就能够支撑更重的静态戴森球。
如果我们更加青睐在太阳系中建造这种质量更重、更坚固的静态戴森球，那么，若想抵抗太阳的万有引力，就需要使用耐压力超强的材料，它必须能承受比地球上最高的摩天大楼的地基所受到的压力还要高上几万倍的压力，而不会液化和弯曲。为了延长使用年限，戴森球必须保持动态和智能化，不断调整其位置和形状，以应对干扰；偶尔，它会打开一些大洞，让讨厌的小行星和彗星安全通过。或者，可以使用侦测和偏转系统来处理这样的系统入侵者，还可以选择将其分解，并回收它们的物质用作更好的用途。
对于今天的人类来说，生活在戴森球上，往好了说令人晕头转向，往坏了说是不可能的事，但这并不能阻止未来的生命形式在其上繁荣昌盛，无论它们是生物还是非生物的。戴森球几乎无法提供引力。如果你想在静态戴森球上行走，只能在其外表面，也就是远离太阳的那面行走，而不用担心掉出去。戴森球的万有引力比你现在所习惯的引力小了大约1万倍。在戴森球上，没有磁场来帮你阻挡来自太阳的危险粒子，除非你自己建一个。唯一的好处是，一个大小相当于地球当前轨道的戴森球将使我们可居住的地表面积增加约5亿倍。
如果我们想要与地球更接近的栖息地，那么，好消息是它们比戴森球更容易建造。例如，图6-1和图6-2显示了由美国物理学家杰勒德·奥尼尔（Gerard K. O'Neill）设计的圆柱形栖息地。这个设计支持人造重力，能屏蔽宇宙射线，可以形成24小时的昼夜周期，还支持类似地球的大气和生态系统。这样的栖息地可以在戴森球内部自由地旋转，或者稍微改造一下，安装在戴森球的外部。
图6-1 一对反向旋转的奥尼尔圆柱体
注：如果这对反向旋转的奥尼尔圆柱体在围绕太阳旋转时，总是指向太阳，那么，它们就可以提供像地球一样舒服的人类栖息地。旋转所带来的离心力可以提供人造重力，三张可折叠的镜子将阳光反射入圆柱体，形成24小时的昼夜周期。较小的环形区域是专门的农业区域。图片由里克·盖迪斯（Rick Guidice）/NASA提供。
图6-2 奥尼尔圆柱体的内景图
注：这是图6-1中的一个奥尼尔圆柱体的内景图。如果它的直径为6.4公里，每2分钟旋转一周，那么，人们就能体会到与地球上相同的重力。太阳虽然在你身后，但看起来却在你头上，因为圆柱体外的镜子会将太阳光反射进来。这个镜子在晚上会收起来。密闭窗防止大气逃逸出圆柱体。图片由里克·盖迪斯/NASA提供。
更好的发电厂
虽然按照今天的工程标准来说，戴森球的能源效率是很高的，但它远未达到物理定律所设定的极限。爱因斯坦告诉我们，如果能以100%的效率将质量转化为能量(51)，质量m就能给我们带来的能量为E=mc2，这是他著名的质能方程，其中c是光速。由于c非常大，这意味着少许质量就可以产生大量的能量。如果我们有足够的反物质（实际上我们并没有），就能很容易地建造一个效率为100%的发电厂：只需要把一茶匙反物质水倒入正常水中，就可以释放相当于20万吨TNT炸药的能量，相当于一颗普通氢弹产生的能量，足够为全世界供电大约7分钟。
相比之下，我们现在最常见的发电方式是非常低效的，如表6-1和图6-3所示。消化一颗糖果的效率仅为0.000 000 01%，因为它释放的能量E仅为mc2的万亿分之一。如果你的胃的能源效率提高到0.001%，那么，你一辈子只需要吃一顿饭。与吃饭相比，煤和汽油的燃烧效率分别只提高了3倍和5倍。今天的核反应堆通过铀原子裂变的方法，能实现相当高的能源效率，但仍然无法达到0.08%。太阳核心的核反应堆比我们建造的核反应堆的效率高出一个数量级，它将氢元素聚变成氦元素，提取出0.7%的能量。然而，即使我们把太阳圈在一个完美的戴森球中，我们能转换成能量的太阳质量依然无法超过0.08%，因为一旦太阳消耗了大约1/10的氢燃料，作为一颗普通恒星，它就会结束自己的生命，膨胀成一颗红巨星并走向死亡。其他恒星的情况也不会好很多：在生命主要阶段中消耗的氢元素所占的比例并不高，非常小的恒星约能消耗4%，最大的恒星约为12%。如果我们能造出一个完美的聚变反应堆，足以让氢元素100%全部用于聚变，我们的能源利用效率依然无法超过0.7%，因为这是聚变反应的效率上限。那么，我们如何才能做得更好呢？
表6-1 物质转化为能源的效率
注：将物质转化为能量的效率是相对于理论上限E=mc2而言的。正如表中文字所示，通过向黑洞中注入物质然后等待其蒸发，可以达到90%的效率，但这个过程实在太漫长了，一点用都没有。但速度快一些的过程，其效率又太低了。
蒸发黑洞
霍金在他的《时间简史》一书中提出了一种用黑洞来发电的方法(52)。这听起来似乎是矛盾的，因为长久以来，人们相信黑洞吞噬一切，连光线都无法逃脱它的陷阱。然而，霍金有一个著名的理论。他的计算显示：量子引力效应使得黑洞就像一个热物体——黑洞越小，就越热，它能发出一种热辐射，现在被称为“霍金辐射”（Hawking Radiation）。这意味着，黑洞会逐渐失去能量，并蒸发殆尽。换句话说，无论你将什么东西倾倒入黑洞，最后都会以热辐射的形式回到黑洞之外，因此，等到黑洞完全蒸发的时候，你扔进去的物质就以100%的效率转化为了辐射能(53)。
图6-3 能量对比
注：先进的技术可以从物质中提取出巨大的能量，比消化食物和燃烧能提取的能量多得多。但即使是核聚变提取的能量都比物理定律所允许的上限少了140倍。如果一个发电厂可以利用“溜滑子”效应、类星体或蒸发黑洞的能量，那它的效率会更高。
将蒸发的黑洞当作发电厂有个问题，如果黑洞的尺寸不比一颗原子小，那么，它的速度就实在太慢了，慢得令人发指，即使给它比宇宙年龄还长的时间，它辐射出的能量还不如一根蜡烛。它产生的功率与黑洞大小的平方成反比，因此物理学家路易斯·克兰（Louis Crane）和肖恩·威斯特摩兰（Shawn Westmoreland）提出，可以使用比质子还小1 000倍的黑洞，它的质量大约相当于历史上规模最大的海船[3]。他们主要是想用黑洞引擎来为星际飞船提供动力（下面我们将回到这个话题），所以，他们更关心便携性而不是效率，并建议用激光来照射黑洞，这样就根本不需要在物质和能量之间进行转换，因为激光本身就是一种能量。即使你可以向黑洞中投以物质而不是用激光照射，也很难保证高效率：想要让质子进入大小是它千分之一的黑洞，必须用一台像大型强子对撞机那样强大的机器，将质子对着黑洞发射，用动能来提高其能量mc2至少1 000倍以上。由于当黑洞蒸发时，至少有10%的动能会转变为引力子而损失掉，所以，我们投入到黑洞中的能量大于我们能提取和利用的能量，降低了效率。此外，还有一个影响黑洞发电厂前景的事实是，我们仍然缺乏一个严格的量子引力理论来作为计算基础。不过，这种不确定性也意味着，可能存在全新且有用的量子引力效应等着我们去发现。
自旋黑洞
幸运的是，想要使用黑洞作为“发电厂”，我们还有其他方法，这些方法不涉及量子引力等未知物理学。例如，现在有许多黑洞自旋的速度非常快，它们的视界都在以光速高速旋转，这种旋转的能量可以被提取出来。黑洞的视界是指黑洞周围的一个区域，在那里，由于万有引力过大，连光线都无法逃逸。图6-4显示，自旋黑洞在视界之外还存在一个名为“能层”（ergosphere）的区域，在那里，由于黑洞拖拽着空间一起旋转的速度太高，以至于其中的粒子不可能静静地待在那里不动，而是会被拽着一起旋转。如果你把一个东西扔进能层，它就会获得速度，绕着黑洞旋转。不幸的是，它很快就会被黑洞吞噬，永远消失在视界中，所以，如果你想用它来提取能量的话，这是行不通的。然而，罗杰·彭罗斯发现，如果你把这个物体扔进去的角度十分巧妙，那它就会分裂成两部分，如图6-4所示。其中一部分会被黑洞吞噬，而另一部分则以高于你一开始给它的能量逃脱黑洞。换句话说，这样你就成功地将一部分黑洞旋转能转换成了可以利用的有用能源。通过多次重复这个过程，你就可以把黑洞所有的旋转能都压榨出来，这时黑洞就会停止旋转，能层就会消失。如果这个黑洞一开始旋转的速度达到了自然界所允许的上限，也就是说，它的视界基本上是以光速旋转，那么，用这种方法，你可以将其质量的29%转化为能量。
我们目前还不确定宇宙中的黑洞旋转的速度到底是多少，但许多研究显示，它们旋转得似乎很快：在允许的最大值的30%～100%之间。我们银河系中央的那个怪兽一般的黑洞（质量为太阳的400万倍）似乎也在旋转，所以，即使它只有10%的质量可以转化为有用的能量，那么，这也相当于以100%的效率把40万个太阳的质量转化为了能量，也相当于围绕着5亿个太阳的戴森球在几十亿年的时间长河里可以收获的总能量。
图6-4 自旋黑洞部分转动能的提取方法
注：自旋黑洞的部分转动能可以通过向黑洞投入一个粒子A来提取。A会分解为两个部分，B部分逃逸，而C部分被吞噬，生成的能量大于A原有的能量。
类星体
另外一个有趣的策略不是从黑洞本身获取能量，而是从落入其中的物质中获取能量。大自然已经帮我们找到了一个实现方法：类星体。随着气体像旋涡一样旋入黑洞，它们形成了一个比萨形状的盘状结构。这个结构的最内层逐渐被吞噬。气体变得极端炽热，释放出大量的辐射。随着气体落入黑洞，它逐渐加速，就像跳伞运动员那样，将其重力势能转化为动能。随着复杂的紊流将气体的协调运动变成更小尺度上的随机运动，运动状态变得越来越混乱，直到单个原子开始以高速互相碰撞，这种随机运动正是“热”的定义，这些剧烈的碰撞将动能转化为辐射。通过在整个黑洞周边的安全距离建立一个戴森球，这种辐射能量可以被人类捕获并利用。黑洞旋转速度越快，这个过程的效率就越高。旋转速度最快的黑洞的能量效率可高达42%(54)。对于重量约等于一颗恒星的黑洞来说，大部分能量是以X射线的形式放射出来的，而对星系中心的超大质量黑洞来说，大部分能量落入红外线、可见光和紫外线的范围内。
一旦你“喂”给黑洞的燃料已耗尽，就可以像我们上面讨论的那样，转而提取它的旋转能(55)。确实，大自然中已经存在一种方法可以部分实现这件事，用一种叫作“布兰德福–日纳杰过程”（Blandford-Znajek Mechanism）的电磁过程将气体加速，从而促进辐射量。如果我们巧妙地使用电磁场或其他东西，说不定可以将能量提取效率升高到42%以上。
溜滑子
还有一个不需要用到黑洞就能将物质转化为能量的过程，叫作“溜滑子”过程。它能毁灭夸克，并将其转化为轻子，其包括电子，比电子较重一些的兄弟μ介子和τ子，中微子或其反粒子。[4]正如图6-5所示，根据粒子物理学标准模型预测，9个拥有合适的“味”和“自旋”的夸克组合在一起，可以通过一个称为“溜滑子”的中间状态转化为3个轻子。由于输入质量大于输出质量，因此，二者的质量差被转化为了能量，其大小符合爱因斯坦的方程E=mc2。
图6-5 夸克转变为轻子的过程
注：根据粒子物理学标准模型，9个具有合适的“味”和“自旋”特征的夸克可以组合起来，通过一个叫作“溜滑子”的中间状态转变成3个轻子。夸克的总质量（加上伴随的胶子粒子的能量）比轻子的质量大多了，因此，这个过程会释放能量，表现为闪烁。
未来的智能生命或许可以建造我所谓的“夸克引擎”：这是一种能量生产器，就像打了鸡血的柴油机一样。传统的柴油机将空气和柴油的混合物进行压缩，直到温度变得特别高，高到可以自燃和爆炸。之后，炙热的混合物再次膨胀，在这个过程中就可以完成一些有用的事情，比如推动活塞。燃烧后的气体（比如二氧化碳）的重量只相当于活塞内原先物体的0.000 000 05%，这个质量差就被转化为了热能，用于驱动引擎。一台夸克引擎可以压缩普通物质，直到温度达到几千万亿度(56)，接着，溜滑子发挥作用，它会再次膨胀和冷却。我们知道这个实验的结局是什么，因为这正是我们的宇宙在138亿年前所经历的事情。那时候，宇宙非常炙热，几乎100%的物质都被转化为了能量，只剩下了几十亿分之一的粒子幸存下来，形成了普通物质的基本构件：夸克和电子。因此，夸克引擎就像一台柴油机一样，只不过效率提高了10亿倍！还有一个好处是，你不需要对它的燃料过分讲究，只要是用夸克组成的物质就可以，也就是说，任何普通物质都可以。
由于这些过程的温度极高，我们的婴儿宇宙产生的辐射（光子和中微子）比物质（后来成为原子的夸克和电子）多了超过万亿倍。从那以后的138亿年间，发生了大规模的“种族”隔离，原子聚集成为星系、恒星和行星，而大多数光子仍停留在星际空间，形成宇宙微波背景辐射。科学家利用宇宙微波背景辐射制造了宇宙的婴儿照片。生活在任意一个星系或其他物质集中区域的先进生命形式，都可以将它们手边的大部分物质转化为能量，只需要在“夸克引擎”中短暂地重建一个炙热又稠密的环境，就可以将物质与能量的比例再次降低，直到比宇宙早期那个微小的比例还要小。
如果真要建造一台“夸克引擎”，我们如何才能知道它的效率有多高呢？要搞清楚它的效率，我们就必须弄明白一些关键的应用细节：比如，要把它的尺寸建得多大，才能在压缩阶段防止过多的光子和中微子泄漏？无论如何，我们可以肯定地说，未来生命的能源前景远远好于我们现在的技术所允许的状态。以我们现在的技术，甚至还无法建造核聚变反应堆，但未来的技术应该可以比我们现在的好10倍，甚至100倍。
量子计算机，更好的计算机
如果消化晚餐的能量效率比物理定律所允许的上限差了100亿倍，那么，今天的计算机表现如何呢？我们接下来将会看到，它们的效率比消化晚餐还糟糕。
我在介绍我的朋友兼同事塞思·劳埃德时经常说，他是麻省理工学院唯一一个像我一样疯狂的人。在对量子计算机进行了开创性的研究之后，他又写了一本书，认为我们整个宇宙就是一台量子计算机。我们经常在下班后一起喝啤酒，我发现，没有什么有趣的观点是他讲不出的。例如，正如我在第2章中提到的那样，关于计算的终极极限，他总有很多话要说。在2000年一篇著名的论文中，他说明了计算速度其实受到能量的限制：在时间T上执行一次初等逻辑运算需要的平均能量为E=h/4T，其中h是一个被称为“普朗克常数”的基本物理量。这意味着，一台1千克的计算机每秒最多能执行5×1050次操作，这比我现在正在打字的计算机高出36个数量级。如果计算机的能力像我们在第2章所说的那样，每隔几年就翻一番，那么，我们将在几个世纪之后就能达到这个水平。劳埃德还说，1千克的计算机最多可以存储1031比特的信息，这是我的笔记本电脑的10亿倍的10亿倍。
劳埃德率先承认，想达到这些上限，即使对超级智能生物来说也是非常有挑战的，因为那1千克“终极计算机”的内存会像热核爆炸或者一小块宇宙大爆炸一样。但是，劳埃德乐观地认为，实际可实现的上限与物理上限并不遥远。实际上，现有的量子计算机原型已经用单个原子来存储一个比特的信息，以此将内存最小化；将其累积起来，每千克将能存储1025比特的信息，比我的笔记本电脑好1万亿倍。此外，使用电磁辐射在这些原子之间进行通信，能将每秒的运行次数达到5×1050次，比我的CPU高出31个数量级。
总而言之，未来生命在计算上的潜力是令人难以置信的：从数量级上来说，今天最好的超级计算机与1千克“终极计算机”之间的距离，比它和汽车转向灯之间的距离还要远，转向灯只能存储一个比特的信息，每秒只能在开和关之间转换一次。
获取更多物质
从物理学的角度来看，未来生命可能想要创造的一切——从栖息地、机器到新的生命形式，都只是以某种特定方式对基本粒子进行重新排列。就像蓝鲸实际上是重新排列的磷虾，而磷虾是重新排列的浮游生物一样，我们的整个太阳系也只是在138亿年的宇宙演化过程中对氢元素进行了重新排列：万有引力将氢元素重新排列成恒星，恒星将氢元素重新排列成重原子，之后，万有引力将这些原子重新排列成我们的星球，然后，化学和生物过程将它们重新排列成生命。
如果某种未来生命达到了它的技术极限，那么，它就可以更快和更高效地对粒子进行重新排列。它们首先会利用计算能力搞清楚效率最高的方法是什么，然后用可获得的能量来驱动这个物质“重新排列”的过程。我们已经看到了物质可以如何转化为计算机和能量，因此，物质就是它们所需的唯一基本资源(57)。一旦未来生命在使用物质上已接近物理极限，想要做得更多，它就只有一种方法，那就是：获取更多物质。而想要获取更多物质，唯一的方法就是在宇宙中扩张它的势力，向太空进发！
通过殖民宇宙来获得资源
我们宇宙的资源禀赋到底有多少？具体来说，物理定律对生命最终可以利用的物质量的上限有何规定？我们宇宙的资源禀赋当然是相当惊人的，但具体有多大呢？表6-2列出了一些关键的数字。可以说，目前我们的行星的99.999 999%都是死寂的，因为这部分不属于我们生物圈的一部分，除了提供引力和磁场外，对生命几乎没有任何用处。如果我们能让这些物质为生命所用，那我们就拥有了多出几亿倍的物质。如果我们能够把太阳系中的所有物质（包括太阳系）都物尽其用，那么我们的境况会好几百万倍。如果能殖民银河系，那我们的资源会再增加1万亿倍。
表6-2 未来生命可以利用的物质粒子（质子和中子）数量的近似值
我们能走多远
你可能会认为，只要我们有足够的耐心，我们就能慢慢地殖民其他星系，并由此获得无限的资源，但现代宇宙学可不这么认为！是的，空间本身可能是无限的，包含无限多的星系、恒星和行星。事实上，这是最简单的暴胀理论所预测的结果，暴胀理论是目前关于“138亿年前是什么创造了我们的宇宙”这个问题最流行的科学解释。然而，即使有无限多的星系，我们也只能看到和到达数量有限的星系：我们可以看到大约2 000亿个星系，但最多只能殖民100亿个。[5]
阻碍我们的正是光速：光线一年可以走1光年，大约为1万万亿千米。图6-6显示了从138亿年前的宇宙大爆炸以来，光线可以到达我们身边的一部分空间区域。这个球形区域被称为“我们的可观测宇宙”，也可以简单地称为“我们的宇宙”。即使空间是无限的，我们的宇宙也是有限的，“只”包含着1078个原子。此外，我们的宇宙中有98%的物质都是“能看不能摸”的，因为即使我们以光速前进，也永远赶不上它们。为什么呢？毕竟，我们的视线之所以有极限，是因为我们宇宙的年龄是有限的，而不是无限老，所以，遥远的光线还没有足够的时间来到我们身边。那么，假如我们在途中有无限的时间可以旅行，难道我们不能到达任意远的星系吗？
图6-6 宇宙的婴儿照
注：我们的宇宙，也就是138亿年前的宇宙大爆炸以来，光线有足够的时间到达我们的球形区域（我们身处这个区域的中心）。这张图片显示了普朗克卫星所拍摄的宇宙早期照片，也就是宇宙的婴儿照。这张图说明，在宇宙只有40万年历史时，它是由炙热的等离子体组成的，其温度和太阳表面一样高。在这区域之外，可能还有更广袤的空间，每年，这个区域都在扩大，我们也因此会看到新的物质。
第一个挑战是，我们的宇宙正在扩张，这意味着几乎所有的星系都在离我们远去，所以，殖民遥远的星系就变成了一场追赶。第二个挑战是，宇宙膨胀正在加速，这是由构成我们宇宙的约70%的神秘暗能量造成的。如果你想知道宇宙的膨胀为什么会引起麻烦，请想象一下，你到达了火车站站台，看到你的火车正慢慢地加速远离你，但有一扇门开着。如果你快速冲过去，能赶上火车吗？由于它最终肯定会跑得比你快，所以，答案显然取决于火车最初离你有多远：如果超过了某个临界距离，你就永远赶不上它。我们也面临着同样的情况：试图追赶正在远离我们的遥远星系，即使我们能以光速前进，所有与我们相距超过170亿光年的星系依然遥不可及，而宇宙中超过98%的星系距离我们都超过了170亿光年。
