核聚變在二級文明眼中,就像個打火機,另一種物質才是終極能源

2023-10-12     魅力科學君

原標題:核聚變在二級文明眼中,就像個打火機,另一種物質才是終極能源

宇宙那麼大,我們有理由相信,人類並不是宇宙中唯一的智慧文明,實際上,科學界也普遍認同這種觀點,早在1964年,天文學家尼古拉.卡爾達舍夫(Nikolai Kardashev)就提出了被稱為「宇宙文明等級」的概念,他以能量使用水平為指標,為宇宙中可能存在的智慧文明劃分了三個等級,並定義一、二、三級文明分別能夠掌控行星級、恆星級以及星系級的能量。

在1973年的時候,天體物理學家卡爾.薩根(Carl Sagan)對「宇宙文明等級」進行了一定的改進,他認為宇宙中的行星、恆星以及星系的所具備的能量有大有小,所以我們應該根據它們的平均值來進行更準確、也更細化地描述,所以他提出了「文明指數」這個概念,並給出了具體的計算公式,隨後被廣泛採用。

(K代表文明指數,P代表文明的平均總功率)

根據該公式可以計算出,一、二、三級文明的平均總功率分別為10的16次方瓦特、10的26次方瓦特、10的36次方瓦特,而我們人類目前的平均總功率大概為2乘以10的13次方瓦特,對應的文明指數約為0.73,也就是說,我們目前只是0.73級文明。

對於我們人類來講,距離一級文明其實也不算特別遙遠,畢竟人類目前正在致力於可控核聚變的研究,科學家普遍認為,在人類真正掌握可控核聚變之後,進入一級文明就只是一個時間問題,樂觀的估計,只需要100年左右的時間。

但二級文明就不一樣了,畢竟這種文明的平均總功率高達人類目前平均總功率的5萬億倍之多,如此巨大的能量,僅憑可控核聚變是很難獲取到的。正因為如此,才有觀點認為,核聚變在二級文明眼中,就像個打火機,而另一種物質——反物質才是終極能源。下面我們來看看這具體是怎麼回事。

核聚變釋放的能量,其實是來自於核聚變反應過程中產生的質量損失,這可以通過愛因斯坦的質能方程(E = mc^2)來進行描述,但或許你不知道的是,核聚變反應的質能轉化率其實是很低的,比如說相對容易實現、釋放能量也相對較高的氘氚核聚變,其質能轉化率只有0.7%左右,也就是說,1千克的核燃料參與反應,僅僅只有大約7克的質量轉化成了能量。

很明顯,更優質的能源,就意味著更高的質能轉化率,而在這方面,反物質則可以說是「天花板」式的存在。

簡單來講,我們常見的物質可以稱為普通物質,從微觀層面來看,它們都是由普通粒子構成,比如說質子、中子、電子等,反物質則是由反粒子構成的,例如反質子、反中子、正電子等,因為反粒子與其對應的普通粒子的性質完全相反,所以當反物質與普通物質相遇時,雙方就會在一瞬間發生湮滅,而涉及湮滅的質量將100%地轉化為能量。

更重要的是,由於一份反物質必須與相同質量的普通物質才能實現完全的湮滅,而普通物質則隨處可得,因此用一份反物質,就可以輕鬆得到相當於其雙倍質量的能量。

由此可見,從理論上來講,這種物質才是終極能源,因為它的質能轉化率已經達到了理論上的極致,而與之相比,核聚變就像個打火機。

需要知道的是,反物質並不是只存在於理論之中,其實在自然界中就有反物質的蹤影,例如香蕉中就含有微量的鉀-40,當這種不穩定的同位素髮生正β衰變時,就會釋放出正電子。除此之外,反物質也可以人工製造出來,實際上,早在上個世紀,科學家就利用粒子加速器製造出了真正意義的反物質——反氫原子。

可能有人會問了,既然如此,那為什麼人類不使用反物質這種終極能源呢?答案很簡單,以人類當前的科技水平,製造反物質非常吃力。

人類製造反物質的原理可以簡單地描述為:根據愛因斯坦提出的質能方程,能量也可以轉化為質量,當高速粒子發生碰撞時,會在一個極小的空間範圍內產生極高的溫度和壓力,在這樣的極端條件下,它們攜帶的一部分能量就會轉化為等量的普通粒子和反粒子,這些新產生的粒子和反粒子會被強大的磁場分離和捕獲,從而得到反物質。

通過這樣的方法,人類需要極大的投入,才能產出極少的反物質,有多少呢?這樣說吧,在過去的日子裡,人類製造的反物質總質量大概只有十幾納克,而1納克僅僅只有0.000000001克,所以人類使用反物質當作能源根本就不現實。

不過對於科技水平遠遠領先於人類的二級文明來講,大規模地製造反物質應該不是什麼問題。說到這裡,就有必要提一下「戴森球」了,這個概念由物理學家弗里曼.戴森(Freeman Dyson)於1960年提出,他認為科技高度發達的智慧文明,有可能建造出能夠將恆星部分或完全包裹起來的巨型設施,並以此來收集恆星釋放出的部分或全部能量。

儘管「戴森球」確實可以達到有效利用恆星能量的效果,但它也面臨著不少難以解決的問題,其中最大的問題就是,建造能將恆星包裹住的「戴森球」,無疑需要巨量的材料,這些材料從何而來?畢竟在以一個以恆星為中心的系統中,絕大部分物質都集中在恆星之上,比如說我們太陽系,太陽就占據了大約99.86%的質量。

對於這個問題,其實我們可以做這樣一個假設:科技高度發達的二級文明,已經掌握了堪稱完美的質能相互轉化的技術。

在這個假設成立的基礎上,我們就可以推測出,二級文明能夠輕鬆地將恆星的能量不斷地轉化為等量的普通物質和反物質,其中的普通物質就可以作為建造「戴森球」的材料,而反物質則被當作終極能源存貯起來,如此一來,既解決了「戴森球」的材料問題,又可以大規模地製造出反物質。

當然了,這其實只能說是一種猜測,畢竟到目前為止,我們從未在地球之外發現過其他智慧文明的痕跡,而可以預見的是,即使一切順利,人類想要進入二級文明,也需要極為漫長的時間,所以大家看看就成,不必當真。

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-tw/60361bcae85daa6d3b164b5fb3c4aaea.html