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人類世:主宰地球,天下無雙的人類?——《人類時代》

時報出版_96
・2015/10/14 ・4986字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 494 ・六年級

狂野的心,人類世的心智

一九七八年的大風雪, 積雪及膝, 雪帆在疾風勁催之下駛過卡尤加湖( L a k eCayuga,紐約上州十一個湖組成五指湖其中的第二大湖),把所有的街道幻化成雪橇跑道。當時我還是在紐約上州就讀的學生,儘管天候不佳,課還是照常要上,我們聆聽心靈宛如夜光錶面盤一般明亮的科學家談起「核冬天」(nuclear winter),亦即在核子戰爭後,地球氣候可能會發生的改變:太陽就像白色的棉花一樣懸在枯萎的天空上,塵雲在地球上方凝結,植物忘了怎麼維持青翠,夏天由零下二十度的氣溫下展開,接著四時的變換完全不符所有生物的期望。這情景很可能成真,因為華府和莫斯科的政壇人物就像遊戲場上的孩子一樣,虛張聲勢相互挑釁。這是我頭一次聽到師長說,如今我們已有能力拆解環繞地球的整個大氣層,教我既驚奇又憂慮。

source:Lorenzoclick
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在地質時間上,才不過片刻之前,我們還只是熱帶大草原上無語的暗影,是採集者和小型獵物的獵人。曾幾何時,我們怎麼成了地球的威脅?在講課結束,雪暴止息之時,在一望無際的白色遼原中,我們學生就像小小的發光體。

四分之一世紀之後,諾貝爾獎得主保羅.克魯岑(Paul Crutzen,他發現臭氧層的破洞,於一九九五年獲諾貝爾化學獎。他也是首先引介核冬天觀念的學者)再度步上世界舞台,主張我們人類已經成為地球變化的重要媒介,因此有必要把我們所生存的這個地質時代重新命名。世界各國的科學菁英都同意此說,倫敦地質學會(Geological Society ofLondon,地質時間表的權威組織)也召集了德高望眾的專家小組,考量種種證據,要更新我們的世代名稱,由堅如磐石的全新世,到「Anthropocene」──人類世[1],頭一次承認我們主宰整個地球,天下無雙。

地質學家根據國際協議,依主宰地球的岩石、海洋,和生物等帝國,把地球環境史劃分為各個階段;就像我們用「伊利莎白時期」和其他朝代來表示人類史的階段一樣。

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深厚的南極冰核告訴我們古早大氣層的內容,化石遺跡透露出古代的海洋和生命形式,還有更多的資訊寫在淤泥上,記錄在石頭裡。先前的時代,比如我們認為恐龍當道的侏羅紀,延續了數百萬年,有時我們再把它們細分為更小的單位,變化不斷的世代和紀元悄悄溜進我們的視野。每一個世代都會添加絲絲縷縷到這片織錦之中,不論多麼纖細。在化石紀錄上,我們會留下多寬的條紋?

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可以辨識出是人類的動物在地球上已經行走了近二十萬年,在這些以千年為單位的時代中,我們不斷適應多變的環境以求生存,勇敢面對惡劣的天氣和艱險的地形,恐懼比我們凶猛得多的動物,屈服在大自然的威力之下,它的魔力教我們不知所措,它的宏偉壯麗教我們恭順謙卑,在它的周遭,我們滿懷憂懼地安排我們的生活。經過漫長到難以完全想像,影響多到無法勝數的時間,我們卻開始反抗大自然的力量。我們運用靈巧的雙手,豐富的資源,柔韌靈活,聰明,合作。我們俘虜了火,製作了工具,砍出矛,磨出針,鑄造了語言,不論漫遊到什麼地方都隨手花用。接著我們開始以教人屏息的速度繁衍。

在西元前一千年,整個世界的人口才只有一百萬,到西元後一千年,已經成長到三億。一千五百年,增加為五億。此後我們成倍繁殖,自一八七○年以來,世界人口已經成長了四倍。根據BBC網站的資料,一九四八年十月七日我出生那天,我是第二十四億九千零三十九萬八千四百一十六個存活在世界上的人,也是有史以來第七百五十五億二千八百五十二萬七千四百三十二個人。中古時代世上人口還能以百萬為計算單位,如今世上卻有七十億人口。生物學家威爾森(E.O. Wilson)說,「二十世紀人類人口成長的模式比較像細菌,而不像靈長類。」依據他的說法,如今的人類生物質(biomass)比地球上曾有過的任何大規模物種都大百倍,共有三十二億人蝸居在都市裡,都市計畫專家預測到二○五○年,舉世百億人口將會有近三分之二都聚居在城市。

source:wikimedia
source:wikimedia

 

到這十年的年尾,地球史將會重寫,教科書會因過時而出錯,老師必須揭露大膽、刺激,而且可能教人心驚的新現實。我們在地球上短暫逗留的期間,因為教人振奮的科技發展、化石燃料的使用、農業和日益增多的人口,使人類成為地球上唯一主宰變化的力量。在地球四十五億年的歷史中,只憑單一一種物種就能改變整個自然界,幾乎是史無前例。

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唯一曾經發生過類似情況的一次是在數十億年前,當時金肩鸚鵡和海鬣蜥這類的生物還沒出現,大氣還充滿毒性,人類如果作時光旅行,非得戴上防毒面罩不可。只有柔軟吸水的單細胞藍綠藻群體平舖在淺灘上,攝食水和陽光,持續不斷地向大氣輸出一波波的氧氣──這是它們的胃腸脹氣。逐漸地,空氣和海洋充滿了氧氣,天空淨化了,大地歡迎有肺的生物。這種生物的排泄物卻是那種生物的補品,這個想法雖教人尷尬,卻是實情。近五十億年來,生命滴答滴答地運轉,因為藍綠藻重塑地球,使得無數大膽的實驗得以實現,包括形形色色的葉片和舌頭、各種各樣的家譜和部族,由捕蠅草到人類。接著,由平凡到不可思議的這種起源,在最近兩三百年之間,人類竟然變成了旋乾轉坤的第二個物種,由大地至穹蒼都因之而脫胎換骨。

忙碌的人類

人類一向都是活力充沛、焦躁不安、忙忙碌碌的動物。過去這一萬一千七百年以來,雖然不過是自上一次冰河時期末冰河撤退之後一眨眼的工夫而已,我們卻已經發明了珍貴的農業、書寫,和科學。我們行遍天涯海角,跟隨長河的支脈、跨越雪鄉、攀登教人頭暈目眩的隙縫和峽谷,跋涉到遙遠的島嶼和兩極、躍入汪洋深海,受到燈火般明亮的魚類和火眼金睛的水母魅惑。在群星的禮拜之下,我們在漫無邊際的黑暗之中升起火苗,掛上燈籠。

我們建構了宛如綠野仙蹤故事裡的城市,由我們故鄉的星球航向外太空,在月球上揮桿打高爾夫。我們夢想出工業和醫藥的魔法。儘管我們並沒有搬移各洲大陸,但卻以城市、農業,和氣候的變遷抹除並重繪了它們的輪廓。我們阻斷了河流,讓它們改道,填入厚重的新土。我們砍平了森林,削去又重舖了大地。我們征服了七五%的地表──保留一些小地方作為「曠野」,改變了龐大的面積,作為我們的產業和家園,並且藉著農耕,統一了世上三分之一沒有冰雪覆蓋的土地。我們砍掉了山巔,挖鑿坑道和石場採礦。就好像外星生物帶著巨錘和雷射鑿子,重新雕塑各大洲,以適應他們的需要。我們把風景化為另一種形式的建築,把這個星球當成我們的沙盒。

source:Jamie McCaffrey
source:Jamie McCaffrey

說到地球的生物,我們尤其忙碌。我們和我們所豢養的家畜如今已經佔據了地球所有哺乳生物的九成;在西元一千年,我們和我們的動物卻僅佔百分之二。至於野生物種,我們也把動植物重新分配到舉世各個不同的地方,激發它們演化出新的習慣,改造它們的身體,或者讓它們滅絕,而它們也都各自走向這三種結果。在這個過程中,我們決定了哪些物種終將與我們共享這個星球。

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甚至連雲層上都展現了我們的所作所為。有些是環遊世界的旅客搭機留下的凝結尾經風吹拂留下的軌跡,有些則是工廠釋出的砂塵,溢漏出來,汙染了空氣。我們為烏鴉套上腳環,讓樹木雜交,在懸崖峭壁上建了棚架,在河邊築了堤壩,如果可以,我們連太陽也想管上一管,我們已經運用了它的光線作為我們奇想的動力,這是連古早神話中的諸神都會嫉妒的本領。

如今我們也像諸神一樣,無所不在處處存身。我們已經殖民到這星球的每一吋土地,在四處留下指印,由海洋的沉積物,到大氣層最外緣的外逸層,也就是分子逸入太空、太空垃圾,和衛星軌道的地方。幾乎所有我們視為現代生活的奇妙事物,都只不過在過去兩世紀之內,甚至過去幾十年間出現,就像在土石流前方急速滾動的巨石一樣,人類的冒險以驚人的步調加速奔馳。

每一天我們都更有把握,由外太空駛向人體和大腦內在的殿堂。我們不再是大草原上削製工具的那種猿類,不再像牠們那般背負著寶貴的餘火,把文字編結成串,宛如它們是稀罕的貝殼。由那樣的角度很難想像我們心靈的幻想曲,它是來勢洶洶,一瀉千里,抑或如潺潺流水,涓涓滴滴?我們以迅雷不及掩耳的速度改變這個星球,造成難以磨滅的結果,使得我們起源的這個自然世界──由原子至單細胞至哺乳動物至智人至主宰一切的萬物之靈──早已非我們祖先所識的同一泉源。如今,我們非但適應我們所居的自然世界,而且還創造了人造的環境,把自然界嵌入其中。

我們與大自然[2]的關係已經改變……雖然是脫胎換骨,難以挽回,但絕非只朝壞的方面改變。如今我們怎麼與大地、海洋、動物和我們自己的身體建立關係,已經因生產製造、醫療保健,和科技工業五花八門的進步,而受到各種出乎意料的方式影響,大自然緊閉的奧祕門扉也震動開啟──人類基因組、幹細胞、如地球一般的其他星球──讓我們大開眼界。一路走來,我們和大自然的關係正在演變,迅速而逐步漸進,有時微妙到我們對其音震毫無所覺的地步──不論在實質,或是象徵上。隨著我們重新定義對周遭和我們體內世界的基本知覺,我們對於身而為人的看法以及對「大自然」的基本觀念,也自然而然地重新修訂。在每一個層面,由野生動物到以我們的軀體為家的微生物,由我們不斷演化的家園和城市,到虛擬動物園和網路攝影機,人類和大自然的獨特連結已經走向了新的方向。

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已經回不去了

我之所以寫這本書,是因為我對某些問題大惑不解,比如:為什麼世界彷彿在我們的腳下奔跑?為什麼新英格蘭許多城市的加拿大雁今年首度並不南飛,為什麼歐洲有這麼多白鸛不再移棲?這個世界因破紀錄的熱浪、乾旱和洪水而受到蹂躪──我們能否彌補我們對天氣的所作所為?當今的數位兒童未來會成為什麼樣的地球主人翁?如果我們可以藉著電腦遨遊世界,毋需花費金錢,也不耗體力,旅行會有什麼樣的意義?醫藥既能造成人體如此眾多的改變──包括碳纖維義肢、仿生手指、矽視網膜、戴在眼睛上的電腦螢幕,一眨眼就可以傳簡訊、可以舉起千鈞之重的仿生套裝,和可以改善注意力、記憶,或情緒等優質大腦的奇幻之境──少年男女還會不會再提出「我是誰?」或「我是什麼?」之類的問題?未來五十年內,城市、野生動物,和我們自身的生命機理會有什麼樣的變化?

在不經意之中,我們已經在地球上創造了混沌,危害了自身的福祉。然而即使控制氣候的變化是當務之急,設計更安全的方式來餵養、補充,和管理我們的文明刻不容緩,我卻依舊無比樂觀。我們的新時代雖然糾結著種種罪愆,卻也纏繞了諸多發明。我們的壽命已經比以往延長了三倍、降低了幼兒死亡率,而且大部分人的生活品質都獲得改善,由健康到日常生活的舒適──達到了教人瞠目結舌的地步。我們犯的錯磬竹難書,但我們的才華也不勝枚舉。

要是我們能夠回到過去,比如鐵器時代,恐怕沒有人能不帶點必需品:火柴、抗生素、眼鏡、圓規、刀子、鞋子、維生素、紙筆、牙刷、魚鉤、金屬鍋、附太陽能電池的手電筒,和其他種種可以讓人生更安全的發明。我們的行囊絕對不輕。

註:

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  1. 「人類世」一詞是由數位學者和機構提出,包括:美國水生生態學者尤金.史多麥(Eugene Stoermer,密西根大學榮譽教授)在一場會議中用了這個詞,目前在德國美因茲(Mainz)馬克斯普朗克研究所(Max Planck Institute)大氣化學部門工作的保羅.克魯岑;聖地牙哥加大斯克利普斯研究所(ScrippsInstitution),和南韓的漢城國立大學也都使用這個詞。
  2. 生物學家威爾森(E.O. Wilson)在《造物》(The Creation)一書中把大自然定義為包括「地球上所有不需要我們而可以獨立生存的一切」。

getImage (6)本文摘自泛科學2015年10月選書《人類時代:我們所塑造的世界》,時報出版。

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本書搭配好活動《PanSci TALK:生而為人》,邀請到泛科學專欄作家寒波來分享「猴子有好幾種,為什麼人只有一種?」討論關於人類演化的故事;下半場則由〈故事〉專欄作家馬雅人分享「雨林世界:自然環境與馬雅文明」。

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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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宇宙文明演化史(下):文明蘊含的資訊量與精細結構的掌握
Castaly Fan (范欽淨)_96
・2023/06/27 ・4854字 ・閱讀時間約 10 分鐘

編按:說到星際文明的發展程度,科幻愛好者必定會提到「卡爾達肖夫指數」,以使用的能源多寡,來區分文明發達程度。然而,除了從能源來評斷文明進程,其實還有其他的評判方式。

「宇宙文明演化史」系列,將在上篇回顧「卡爾達肖夫指數」,下篇介紹較少討論的「資訊量」與「微觀尺度」的評斷觀點。

資訊量的掌握層級

卡爾達肖夫指數是以「能量」作為文明分級的依據。同時,薩根(Carl Sagan)也有提出不同的分類法。他將文明所擁有的「資訊含量」作為依據,將文明分出「A — Z 級」。這些資訊量的定義很廣泛,語言、文字、影像都屬於資訊量的一部分。

在薩根的分類法中,「A 級」文明能掌握 106 位元的資訊,但目前人類史上的任何一個文明所掌握的資訊量都比這個數目還多。要超越一個 A 級文明相當簡單,比如:你只需要用「二分法」試探,例如判斷這個文明「是存在還是消亡的」。探問過二十次這樣的問題後,相當於掌握了 220 種可能性,這個數字剛好略大於 106

也就是說,這已然囊括了一個 A 級文明的所有資訊,一旦通過了這個二分法測試,就可以被判定為 B 級文明。以此類推,當人類所擁有的資訊量每增加十倍、便對應到不同的字母分級,因此,在這個分類中最為先進的是「Z 級」文明、相當於能掌握 1031 位元的資訊量。

資訊量的爆炸最早可以追溯至文字發明開始,書面文字使得人類得以記載當下、乃至於過去發生的一切歷史。古希臘時代所有的書面文物加總起來大概對應於 109 位元的資訊量,相當於薩根筆下的 C 級文明。1970、80 年代,薩根從全世界所有藏書館數以千萬計的藏書總量、頁數進行統計,我們人類從歷史上至當代所擁有的文字、語言、圖像等資訊含量總計大約是 10¹⁵ 位元,因此被歸類為「0.7 H」類文明。

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而資訊量的第二次大爆炸莫過於網際網路的誕生。當網路普及後,無論是科學、經濟、政治、醫療、娛樂、藝術等包羅萬象的事物,都裝載在網際網路之中。2016 年,全球網路所涵括的總資訊量大概是 1.3 ZB (zettabytes),大約相當於 1022 位元,對應於 Q 級文明。根據國際資訊公司(IDC)預測,人類所擁有的數據庫資訊總量在 2025 年可以達到 175 ZB,相當於 1024 位元——也就是說,當前人類正在往「S 級文明」邁進。

有趣的是,薩根推測人類初次接觸到的外星文明應當是 1.5 J 到 1.8 K 類的文明,通常他們已然克服恆星際旅行的瓶頸。至於卡爾達肖夫的第 II 型文明,大約對應於 Q 類文明;而得以掌控可觀測宇宙大部分星系的 III 型文明,則可以達到 Z 類文明的水平。畢竟掌握時空旅行需要相當複雜的計算與模擬,需要遠超越當今的人類設備所擁有的一切運算能力。

然而,從目前的角度來看,顯而易見地——我們早已超越了他所預測的第 II 型文明等級。這是因為薩根在當時提出這個分類法時,尚未預測到數十年後的今天資訊量會隨著網路的出現而劇增。即使在薩根指數定義的資訊量必須是「單一而不重複的」(比如 A 網站的圖片是從B網站引用來的、同時 C 網站也使用了該圖片,我們只能將該影像視為一組位元、而非三組),但這些資訊在枝繁葉茂的網路時代已然是幾乎不可能被估算的。

因此,薩根的這個分級法在網際網路出現後便可能無法作為合適的指標,但卡爾達肖夫指數目前依然能適用;換言之,資訊量急速暴增似乎也側面反映了「能量」對於人類而言比「資訊量」更難駕馭的事實。

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2000 年代之後,網際網路的發軔造就了資訊量呈指數成長。圖/Statista

微觀尺度的操作層級

另一個有關文明的分級是由英國宇宙學家約翰.巴羅(John D. Barrow)所提出的,是基於人類對於「微觀尺度」的「操作程度」。他發現,科學史上人類似乎不斷朝著微小尺度的事物進行探索,從生活中隨處可見的宏觀機械裝置、顯微鏡下的分析、到分子原子尺度的研究,某種程度上,「探測尺度」似乎與文明發達程度成正比。他將文明發達程度區分為下列等級:

  1. 負 I 型文明(機械文明)
    該文明能操控與個體同等尺度的一切物件,比如採礦、建築樓房、使用機械裝置等等。
  2. 負 II 型文明(生物工程文明)
    該文明能操控基因序列,或者藉由移植組織、器官來改變生命體的特性。
  3. 負 III 型文明(化學工程文明)
    該文明能操控分子,比如透過改變分子鍵結創造新物質。
  4. 負 IV 型文明(奈米文明)
    該文明得以操控個別原子,實現奈米科技在原子尺度的應用,並可能透過科技創造出複雜的人造生命體。
  5. 負 V 型文明(核子文明)
    該文明得以操控原子核,並能自由改造組成原子核的質子、中子。
  6. 負 VI 型文明(粒子文明)
    該文明將能操控夸克、輕子等組成萬物的基本粒子,並且能隨心所欲聚集粒子、駕馭高能量。
  7. 負 Ω 型文明(時空文明)
    該文明將能操控普朗克尺度(10-35 公尺)下的事物,比如量子泡沫(quantum foam)等微觀時空結構;他們將有能力透過負能量或者奇異物質控制、放大隨機漲落的蟲洞,從而具備實現時空旅行的能力。

顯而易見地,人類距離負 Ω 型文明依然來日方長。目前,人類能夠自由操控與我們相同尺度的機械物件,可以建築、採礦,也可以完成一些簡單的基因工程;在近一個世紀內,我們掌握了相對論、發明了人造衛星與 GPS,同時也因為量子力學的發跡,打造出各式各樣的電子產品。但我們尚未能夠自由改變分子鍵結、發明新物質的能力也是侷限的、更無法隨心所欲操控並改變原子結構,因此目前人類大概落在負 I 型文明與負 II 型文明之間。

尺度的數量級:愈先進的文明可能可以探測到愈微觀的結構。圖/筆者繪製

從物理學的角度來看,「探測尺度」和卡爾達肖夫指數的「能量」其實也是可以呼應的。由於相對論告訴我們宇宙中萬物都有一個速限,也就是光速,這意味著無論是能量、溫度、尺度、甚至時間單位都有一個極限值,也就是「普朗克單位」。在歷史上各種對撞機實驗告訴我們一個事實:當對撞機的能量愈高,人類所能探測的尺度就愈小。

事實上,普朗克能量(約 1.96x10^9 焦耳,相當於一輛車中 16 加侖汽油槽所提供的能量——貌似普通,然而這個值在微觀尺度下是相當大的,「焦耳」這單位在微觀世界大概相當於用「光年」換算人類尺度的距離)對應於一個普朗克質量黑洞的史瓦西半徑(約 10^(-35) 公尺,亦即普朗克尺度);用通俗的語言來說就是:一旦對撞機能量值大於普朗克能量,相當於把對應的質量壓縮到了小於史瓦西半徑的尺度,從而產生「黑洞」——即使是微型黑洞,也意味著我們的探測將被黑洞視界所設限。

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換句話說,普朗克能量相當於我們能探測普朗克尺度的所需能量;一旦超越了這個值,我們的探測將因為黑洞的產生而不再精確。因此,即使是一個無限發達的文明,普朗克長度將會成為探測尺度的最終極限,小於普朗克尺度的事物便不再具有物理意義——要注意的是,這些事實是基於目前「已知的物理理論」,假設未來文明已經掌握了結合量子場論與廣義相對論的萬有理論,這些極限值並不是沒有被推翻的可能性。

對於未來文明的展望

從最基本有機分子、形成碳基生命體、再演化成為人類這樣的智慧生命,這樣的機率可以說是趨近於零,也因為如此,才有「地球殊異假說」、甚至是「創造論」這些爭辯。我們必須剛好躲過演化史上的大滅絕事件,並且在安穩的自然環境下演化為智人。這段過程還要大概經過一、兩百萬年後,才開始有文明的誕生;而縱觀整個人類史,科學正式發跡至今其實也就只有幾百年。

把地球 46 億年的歷史濃縮在一份年曆上,人類進入舊石器時代大概對應於 12 月 31 號晚上 11 點,大概跨年前 25 秒才進入新石器時代,而從文藝復興、大航海時代、科學革命至今,在這年曆的尺度下其實根本還不到一秒鐘。這還僅僅只是地球史的尺度——如果考量到 137 億年的宇宙史尺度,科技文明的興起根本是連一瞬間都還不到的事,可見人類的科技目前還算是相當稚嫩的。

科幻作品中那些搭乘星艦、遨遊星際空間的劇情,大多數便是 II 型文明;至於可以利用曲速引擎穿越時空的,或許是 III 型文明才能實現的。對於 II 型文明而言,他們或許能夠透過「戴森球」(Dyson sphere)控制恆星能量的輸出。當一個文明的工業發達到一個程度,便能夠駕馭恆星能量,搭建一系列能源板或人造衛星,從而環繞著恆星本體、調控能量的輸出,這種大規模的人造結構便稱為「戴森球」。

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要建造這類型的結構,目前所知的方法大概就是藉由太空梭或者人造衛星在行星軌道上搭建一圈能源板,並可能需要碳纖維或者更堅韌且輕便的材料。

最基本的構造大概是建構一圈「戴森環」,再來是更多戴森環組裝成的「戴森雲」,或者可以透過光壓與重力的平衡打造出更完整的「戴森泡」;如果科技更發達,則有機會建造出完整且均勻的球殼包覆著恆星以及周圍的行星,也就是「戴森殼」,這類型結構基本上可以完全駕馭母恆星的能量、並且可以將球殼內層表面改建為太空殖民地——但這以目前人類科技水平、或者資金限制等各層面而言,數百年內是不太可能實現的。

先進文明所建造的「戴森球」想像圖。圖/space.com

2015 年,恆星 KIC 8462852 的光變曲線一度成為天文學界的謎團,因為當時天文學家們觀測到該恆星的光譜有異常,且這一異常用傳統模型(比如周邊小行星帶、彗星雲氣等理論)是無法解釋的,因此,有一部份天文學家猜測該恆星的光度變化可能源於「人造巨型結構」;也就是說,能造成光譜像觀測結果那樣異常變化的原因,唯一合理的可能性就是「戴森球」的環繞與掩蔽。

這項研究吸引了當時不少外星愛好者的興趣,畢竟這顆恆星很可能正被高等外星文明所搭建的一系列巨大人工建築圍繞著!然而,根據 2019 至 2021 年的最新研究,發現了這顆恆星其實有一顆「伴星」在外圍,而系外衛星的殘骸大規模地遮蔽了恆星、致使光度出現異常。因此,目前並沒有證據指出戴森球這種人工結構真實存在。

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綜上所述,人類文明目前還算是新生兒,也或許,宇宙中還沒有更先進的文明出現。但在躍升為第 I 型文明之前,我們恐怕會經歷各種挑戰,而有些已經發生過、有些則或許正在醞釀,例如——宗教戰爭、糧食危機、核武威脅、氣候災難等等。

從目前看來,氣候變遷便是當務之急:人類過度排放溫室氣體,溫室效應導致了海平面上升、全球暖化,間接引發了各地氣候的異常、熱浪、饑荒,並一再落入惡性循環。此外,在二戰期間人類發明並使用了核子武器,其毀滅性更是不容輕忽的。我們尚不需考慮火山、地震這些自然災害,若無法擺脫上述這些境況,人類很有可能會在蛻變為 I 型文明前便自取滅亡。

人類文明雖然已有一定的科技水平,然而在卡爾達肖夫指數中,目前仍處於第 0.7 型文明。在躍升成為I型文明之前,有可能面臨生態危機、核子戰爭而自取滅亡。上圖為正在排放溫室氣體的工業煙囪。圖/Economist Intelligence Unit

因此,在未來數十年內,除了科技的提升以外,人類的當務之急是避免氣候災害與核武戰爭的發生。而人類對於星系文明的好奇與嚮往從未間斷,誠如 1977 年發射至太空的航海家金唱片中、美國總統吉米.卡特所提及的:

「我們正邁步度過我們的年月,好讓我們得以共生於你們的時代。我們期望有朝一日,能夠共同解決彼此所面臨的難題,並且聯合組成一個星系文明共同體。」

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We are attempting to survive our time so we may live into yours. We hope someday, having solved the problems we face, to join a community of galactic civilizations.

參考文獻 / 延伸閱讀

  1. Kardashev, N.S. (1964). Transmission of information by extraterrestrial civilizations. articles.adsabs.harvard.edu.
  2. 加來道雄,《穿梭超時空》,台北:商周出版,2013
  3. 加來道雄,《平行宇宙》,台北:商周出版,2015
  4. 卡爾.薩根,《宇宙・宇宙》,台北:遠流出版事業股份有限公司,2010
  5. 史蒂芬.霍金,《胡桃裡的宇宙》,台北:大塊文化,2001
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Castaly Fan (范欽淨)_96
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科學研究者,1999年生於台北,目前於美國佛羅里達大學(University of Florida)攻讀物理學博士。2022年於美國羅格斯大學(Rutgers University)取得物理學學士學位,當前則致力於學術研究、以及科學知識的傳播發展。 同時也是網路作家、《隨筆天下》網誌創辦人,筆名辰風,業餘發表網誌文章,從事詩詞、小說、以及文學創作。

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宇宙文明演化史(上):能量觀點下的先進文明
Castaly Fan (范欽淨)_96
・2023/06/26 ・3182字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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編按:說到星際文明的發展程度,科幻愛好者必定會提到「卡爾達肖夫指數」,以使用的能源多寡,來區分文明發達程度。然而,除了從能源來評斷文明進程,其實還有其他的評判方式。

「宇宙文明演化史」系列,將在上篇回顧「卡爾達肖夫指數」,下篇介紹較少討論的「資訊量」與「微觀尺度」的評斷觀點。

地球數以萬億計的物種中,人類算得上是最具高等智慧的生物。

但假設——遙遠的某顆行星上也有「智慧生命」的存在,那麼,對方是否有可能比我們先進?他們能透過量子力學的應用而發明電子產品嗎?他們能掌握陽光、電磁等能源嗎?他們是否有完善的醫療、教育、經濟、社會結構?又或者,他們是否已然可以達成人類難以觸及的瞬時旅行?

智慧生命的演進

誠如在這篇文章所提過的,碳基生命自發形成的機率極為渺小,從有機分子組合成蛋白質、基因序列、細胞、再到個體的行程,這個機率相當於「一陣龍捲風掃過垃圾場、從中隨機拼湊出一架波音 747」那樣渺茫,更何況是演化成像人類這樣的「智慧生命」。

我們不僅僅具有生物體的基本特徵,還具有思考能力、邏輯、記憶力、甚至是預測與規劃未來的能力,這些可以說是人類與其他生命體最與眾不同之所在。人類之所以成為「智慧生命」,便是因為擁有了自己的語言、文字,使資訊得以保留並傳承。回溯到百萬年前,從演化論的角度來看,當時人類與其他靈長類動物差異並不大;然而,我們的老祖先發現了「火」,並且懂得如何生成並且控制「火」,使得我們不再像其他動物那樣直接生食獵物;另一方面,我們開始懂得用遮羞布、乃至於之後縫製衣服。

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此外,我們能表達自己的情緒,能輕易地展現喜怒哀樂溝通,進行交際活動——這些都是人類得以成為智慧生命的原理。

順帶一提,根據物理學家加來道雄(Michio Kaku)所提出的「穴居人原理」(caveman principle),我們人類依然存有百萬年前老祖宗們「原始慾望」的影子——換句話說,數十萬年來人類雖然不斷演化,然而我們的人格依然保有原始穴居人的基因本質。舉例而言:即使有先進的電腦把文件處理完善,我們仍習慣把文件影印成紙本,之所以如此,係因原始人類捕獵動物時要求「獵殺證明」,習慣取信於親眼所見的事實。

同理,我們傾向於參與音樂會或去電影院體驗現場氛圍,而非一味觀賞電子螢幕前的動態;我們習慣社交與打扮,因此多數重要聚會並不容易被虛擬會議所取代;而在古代社會,小道消息的流通會幫助某些人們知悉高層的行動,因而扮演著一定程度重要性——而這也呼應了我們周遭充斥著娛樂與八卦的報刊,畢竟這些事物總會激起人性深處的好奇心。另一方面,穴居人法則似乎也意味著藝術、娛樂並不會因為科技發展而消失,因為這些事物能滿足人類的需求與愉悅,而這並非科技所能取而代之的。

根據穴居人原理,我們依然保有原始人類的慾望。圖/Mrs J’s science

回歸根本,可以發現,身為智慧生命,必然要有「視力」的存在、而非像螞蟻那樣透過觸角溝通,包含情緒的表達、語言的交流,這方面可以歸功於「大腦」的演化;再者,人類的「腳趾」的演化也是關鍵,這使得人類得以直立行走、改變對世界的視角與行動;此外,「前肢可握物」也扮演著重要角色,亦即靈活的手指——這使得人類可以精準地操作物件、製造工具。

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先進文明的分級

因此,我們假定這些智慧生命都擁有這些生理構造與功能,他們可以溝通、可以發明器物。那麼,有沒有一個指標能告訴我們一個「文明」究竟能多發達?

1964 年,蘇聯科學家卡爾達肖夫(Nikolai Kardashev)提出了一個度量文明先進程度的指標——「卡爾達肖夫指數」(Kardashev Scale)。經由天文學家卡爾.薩根(Carl Sagan)修正過後,可以歸結為下列公式:

其中 K 代表卡爾達肖夫指數,P 代表文明所消耗的總能量。基本上,我們可以將文明依據「駕馭能量」的量級區分成三大類型:

  1. I 型文明(K=1)
    該文明能駕馭 10¹⁶ W 的能量,相當於掌握所處行星的能量,因此又稱「行星文明」。這類型的文明可以控制天氣、調節海洋、並且到地底深處採礦,徹底運用星球資源;並且,這一類文明將能任意造訪附近行星,並在後期發展出接近光速的太空旅行。
  2. II 型文明(K=2)
    該文明能駕馭 10²⁶ W 的能量,相當於掌握所處恆星系統的能量,因此又稱「恆星文明」或「星際文明」。這類型的文明能夠透過戴森球(參見下文)或相關科技、徹底利用恆星系統的能量;他們可在各個行星、恆星之間任意穿梭,並且相繼朝往其他恆星系統殖民。
  3. III 型文明(K=3)
    該文明能駕馭 10³⁶ W 的能量,相當於掌握所處星系的能量,因此又稱「星系文明」。這類型的文明不再受限於附近的恆星系統,他們將能夠隨心所欲駕馭整個星系、甚至宇宙尺度級別的能量,並可以在星系之間來去自如;他們甚至已熟悉時空物理、得以透過蟲洞或先進技術穿越時空。
卡爾達肖夫指數示意圖,由左而右分別是:行星文明(I 型)、恆星文明(II 型)、星系文明(III 型)。圖/http://www.maximusveritas.com/wp-content/uploads/2016/06/

作為宇宙文明的分級,文明所駕馭的總能量可以視為一個標竿。宇宙中的能量是無所不在、甚至可以說是取之不盡用之不竭的。因此,能妥善利用這些能量到什麼程度,便可以視為文明「先進與否」的標準。當然,還有一些人把這列表往下延伸,諸如宇宙文明(IV 型)、多重宇宙文明(V 型)、神靈文明(VI 型)、未知文明(VII 型)等等——不過這些級別距離目前人類還算是遙不可及,我們甚至無法保證在宇宙 137 億這年齡下是否已有這麼先進的文明誕生。

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就目前而言,顯然,人類縱使歷經工業革命、資訊革命,也開發出原子能、得以進行太空探索——但似乎尚未能被列入其中之一——我們尚未有能力操控天氣、就連地底結構也都是透過震波才得以探知的。那麼,人類目前究竟處在哪一階段?讓我們簡單計算一下:根據世界能源消耗量的統計,截至 2021 年底,人類所消耗的能量約為 176,431 TWh(百萬兆瓦時),相當於 20.14 TW(百萬兆瓦),代入卡爾達肖夫指數公式:

可以直接得出卡爾達肖夫指數 K≈0.73 ——因此,人類目前約是落在「0.73 型文明」,依然位在「第零型文明」的階段。

目前人類的能量來源主要仍是石油、煤炭、天然氣;除此之外還有傳統生質能、水力發電、以及核能。在數十年內,風力發電、太陽能、生質能會慢慢取代化石燃料,而核融合技術很可能帶領人類走向 I 型文明。

當人類開始進行太空殖民、並且能妥善運用母恆星(太陽)所供應的能量後,才會慢慢朝向 II 型文明發展;而在 I 型或者 II 型文明階段,另一個能催動科技進展的很可能就是反物質(antimatter)的製造與普及。加來道雄認為,我們有機會在本世紀末或是兩百年內躍升成為 I 型文明;到達 II 型文明需要數千年;至於到達可以隨心所欲駕馭時空的 III 型文明,可能還需要數十萬至百萬年。

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1800 年代至 2021 年的世界能源消耗總量:目前人類消耗能源仍以化石燃料為多數。圖/our world in data

參考文獻 / 延伸閱讀

  1. Kardashev, N.S. (1964). Transmission of information by extraterrestrial civilizations. articles.adsabs.harvard.edu.
  2. 加來道雄,《穿梭超時空》,台北:商周出版,2013
  3. 加來道雄,《平行宇宙》,台北:商周出版,2015
  4. 卡爾.薩根,《宇宙・宇宙》,台北:遠流出版事業股份有限公司,2010
  5. 史蒂芬.霍金,《胡桃裡的宇宙》,台北:大塊文化,2001
Castaly Fan (范欽淨)_96
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科學研究者,1999年生於台北,目前於美國佛羅里達大學(University of Florida)攻讀物理學博士。2022年於美國羅格斯大學(Rutgers University)取得物理學學士學位,當前則致力於學術研究、以及科學知識的傳播發展。 同時也是網路作家、《隨筆天下》網誌創辦人,筆名辰風,業餘發表網誌文章,從事詩詞、小說、以及文學創作。