外星人会如何解决气候变化问题?

原文链接:How Do Aliens Solve Climate Change?

宇宙母亲很能干,它孕育出星系、彗星、黑洞、中子星,还有其他奥妙无穷的天体,包括大量的行星,颇神奇之处,宇宙还孕育出我们人类。是不是在浩瀚宇宙深处某些行星上也有人类文明,我们还不清楚,我们也不清楚其他外星文明是不是像我们一样注定将自己栖息的家园推向气候变化的深渊。我们在地球上建立可持续的文明还有多大可能?宇宙中外星文明能做到吗?

我们连外星文明都没找到,更不能直接观察到他们是否能克服气候变化难题,但是我们可以运用我们的科学做一番推想。一个由天文学家、地球科学家和城市生态学家组成的团队发表的一篇论文中就做了这样的推想,推想了外星的可能历史、它们之上的文明以及随之而来的气候变化。

研究团队半开玩笑地认为将他们的研究称为“太阳系外文明理论考古学”。“太阳系外文明”就是人们常说的外星人。天文学家将他们发现的太阳系外的行星称为“太阳系外行星”,简称系外行星。他们正在使用詹姆斯·韦伯太空望远镜和其他仪器,通过在这些系外行星上寻找“太阳系外生物圈”的迹象。

我们感兴趣的第一个问题是,系外行星上会有外星人文明吗?考虑到宇宙中可能存在着100多亿亿个行星,除非自然对我们有异常的偏爱,否则我们不可能是第一个出现的文明。这意味着每一个行星文明都有一段演化历史:出现、灿烂,然后缓慢衰落或快速崩溃。正如很多曾经地球上盛极一时而又灭绝的物种一样,很多外星人文明(如果它们出现过的话)可能早已灰飞烟灭。所以我们通过探索外星人文明可能的命运,来洞察我们自己可能的归宿。

当然,我们没有任何关于外星人文明及其历史的直接证据。然而,我们掌握行星的科学规律。我们发射的机器人使者已经访问了太阳系的大部分世界。我们在火星上建立了气象站,观测了金星上失控的温室效应,见识了木卫六上瀑布般大雨漫过甲烷湖。这些世界里的气候都遵循一样的物理和化学定律。我们可以利用这些定律来预测小行星撞击对行星造成的后果,也可预测系外行星上可能的耗能工业文明的演化情况。

我们从地球上得到的物理和化学规律开始对外星人文明的科学探究,建立正确的方程式来捕捉行星和它上面的文明交织在一起的进化过程。但是物理和化学只能说明部分问题,如果我们想知道外星人文明的可能命运,我们还必须用到生物学。

科幻塑造了我们对外星人的印象。大多数作品中的外星人长得和我们很像,只是额头或耳朵不同,或是手指头数目不同。我和我的合作者们初探外星文明,对外星人的长相和他们的性别都不感兴趣,不考虑外星人的个体生物学和社会学的细节,因为科学在这些领域提供的帮助很少。然而,有一个问题非需要生物学不可。

种群生物学是20世纪早期才出现的一个全新的领域。以阿尔弗雷德·洛特卡(Alfred Lotka)为代表的一些种群生物学家雄心勃勃,他们不只是收集统计数据来描述动物的数量,他们还想创建基本的数学模型,来预测食物链上的捕食者和猎物的进化。捕食者(如狼)吃猎物(如兔子),狼繁殖更多的狼宝宝,从而增加狼的数量。兔子虽然繁殖能力很强,但如果被捕食得太多,它们的数量就会减少。今天,种群生物学家、生态学家及其同仁会用数学模型来研究一切问题,从疾病传播到物种入侵的传播。数学模型甚至被用于研究人类文明,比如复活节岛等地的文明的崩溃。



阿尔弗雷德·洛特卡(Alfred Lotka),美国数学家、物理学家、统计学家,以种群动力学研究闻名。

我们用这些工具建立了一个文明进化的简单模型。在我们的方法中,外星人文明的人口和行星环境通过能源使用及其影响紧密联系在一起。行星向文明提供资源。文明消耗资源建设文明。文明从星球上获取的能量越多,它的能力也随之飙升。这包括繁育后代的能力。可用能量(以简单生物体的食物形式存在)和出生率上升之间的联系是种群生物学的基础。对于人类文明而言,我们所看到的人口急剧增长与化石燃料使用中的便利性密切相关。所以文明早期,更多的能量意味着更多的人口。但从行星的角度来看,没有免费的午餐。利用所有这些能量就能在地球上产生反馈。这就是我们地球人刚刚开始看到的气候变化。如果全球变暖变得非常严重,从能源开采到粮食生产的一切都将面临严重的压力,我们庞大的人口数量将无法维持。这就是为什么我们的外星人文明模型将能源利用带给行星的不断上升的不良影响与人口下降联系起来。这一切都很简单明了,不需要对外星经济学、社会学或任何其他科幻概念做出假设。

模型允许外星人文明对环境变化做出应对,即外星人可以变换能源。为了简单起见,我们假设外星人只有两种能源,一种是对行星的影响很大(比如化石燃料),另一种影响较小(如太阳能)。在一些模型中,我们允许文明在环境变糟时转变能源。

通过模型我们得到了什么结果?文明可能会有三种截然不同的命运。第一个,也是最常见的一个——我们称之为“死亡”。“随着文明使用能源的数量的迅速增长,行星环境随之恶化。”随着文明和行星的继续演化,人口飞速增长,超过了行星的极限。换句话说,人口超过了行星的承载能力。随后,人口大幅减少,直到行星和文明重新达到稳定状态。之后,人口和行星不再有变化。文明付出高昂代价之后,就这样实现了可持续性。在许多模型中,我们看到多达70%的人口在星球与文明达到稳定状态之前死亡。简单模型尚且如此,像我们这样复杂的科技文明能否挺过如此大的灾难,谁也不知道。

从许多方面来看,我们在模型中看到的是复活节岛文明在外星上的重演。复活节岛石器文明的全盛时期,人口可能多达1万人。但是,复活节岛人滥砍滥伐掉树木来磨制石器,严重破坏了自己的生态系统,也锁定了自己的命运。1722年,荷兰人来到复活节岛,岛上只剩下几千人,过着很低品质的生活。



复活节岛上的石像

模型算出的外星文明第二种轨迹情况比较好,我们称之为“软着陆”。人口增加了,星球也发生了变化,一起平稳过渡到新的均衡状态。文明改变了星球,但没有引发大规模的死亡。

外星人文明最后一种发展轨迹是最令人胆寒:全面崩溃。人口爆增,但是星球无法承受文明的连番冲击。外星人太脆弱,不能做出应变,就像温室内植物一样,一动就死。星球上的环境快速恶化,外星人人口急剧下降,直至灭绝。

你可能会认为,从高碳能源转向低碳能源,情况会有改善。但模型计算结果表明,这无济于事。如果文明只用高碳能源,人口会达到峰值,然后迅速下降到零。但如果我们让文明转向低碳能源,在某些情况下,崩溃仍然会发生,只是会来得稍晚一些。人口先是开始下降,然后稳定下来。但是,先不要高兴太早,人口随后会急速下降,走向灭绝。

外星文明即使做出了聪明的选择,也无法摆脱崩溃的命运,这说明了模型计算中的一个关键点。因为这些方程捕捉到了现实世界的一些复杂性,它们会让你大吃一惊。在一些“延迟崩溃”的历史中,星球自身的内部机制是罪魁祸首。把星球用得太厉害,会无法复原。即使没有文明存在,这也可能发生,金星就是一例。金星本可成为与地球差不多的行星。但很久以前,金星的温室效应陷入失控状态,使其表面温度达到了地狱般的400多摄氏度。我们的模型计算结果显示了,从一般意义上讲,文明是如何通过自身的活动将所在的星球推入万劫不复的状态。

然而,我们创建的模型是外星文明初试啼声。我们用的方程尽可能简单,同时仍然抓住了星球文明“共同演化”的本质。这意味着现在回答“文明能度过气候变化吗?”这个问题还为时过早。不过,我们的工作给出了文明与气候相生相杀的基本概貌。

我们的模型目前还过于简单,还需要考虑更细致和符合实际的气候物理学,还需要考虑进去年轻的文明在星球上可能会发现的所有能源——这个列表受物理学的限制:燃烧、太阳能、风能、地热、潮汐、核能,以及其他一些能源。尽管如此,我们的模型仍然揭示出,我们逐渐把地球拖入人类主导时代,我们所面临的严酷挑战。除非宇宙对我们地球人有深深的偏爱,时空深处一定有文明也面对过这些挑战。人类世在宇宙中可能很普遍。



Light of the Stars: Alien Worlds and the Fate of the Earth 封面

正如我在新书《恒星之光:外星人世界与地球的命运》(Light of the Stars: Alien Worlds and the Fate of the Earth)中所探讨的那样,我们逐渐意识到,我们正在深刻地塑造地球的未来,这为我们提供了动力,让我们不再像宇宙少年那样有力量却没有智慧。从这个角度看,关于气候变化的真实叙述并不是民主党与共和党或商业利益与环保主义者之间的玩的小把戏。相反,这是一场宇宙的考验,它给了我们一个机会去加入那些成功跨越这片燃烧前沿的人——或者有机会被扔进一堆目光短浅、无法保护自己星球的文明的垃圾堆。

原作者:ADAM FRANK,罗彻斯特大学天体物理学家,经常为《科学美国人》、《纽约时报》和NPR写科普文章。



ADAM FRANK

标签: 气候变化

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