宇宙的十级文明是什么样的（什么是宇宙一级文明）
宇宙的十级文明是什么样的（什么是宇宙一级文明）在讨论人类何时达到一级文明之前，我们首先要解决一个基本问题，假设人类技术能力无限，地球能否承受一个一级宇宙文明呢？如果不能，人类达到一级文明的一个前提就是要大规模进入太空，至少要开发月球，这样一来就大大增大了人类成为一级文明的难度。二，人类能否达到一级文明我们首先回顾一下人类发展的光辉历程，在一千年间，人类人口增加了二十几倍，人均能耗增加了10倍，人类总能耗增加了接近两百倍。按照卡尔达肖夫指数的观点，一级文明的输出功率在10^16瓦左右，技术上可以完全利用母星能量，换一句话说如果地球达到了一级文明，人类可以改造地球表面以及大气系统，同时具有气候调节能力。比如所谓把西藏的水引到新疆的红旗河工程，在海洋或地下建造城市，把海水淡化后输送到沙漠等都在一级文明的能力范围内。总之对于一级文明而言，地球就是一个大温室，可以为所欲为，随意装饰打扮。二级文明输出功率达到10^26瓦接近恒星输出水平，三级文明
仰望星空，人们时常在思考人类是否是宇宙中唯一的生物，如果真的有外星人的话他们的科技会发展到何种程度。在几十年前，苏联苏联天文学家卡达尔肖夫就提出了宇宙文明分级的概念，今天我们就来说说卡达尔肖夫指数的概念，以及人类所处的文明阶段。
一，卡尔达肖夫指数与一级文明
卡尔达肖夫指数是通过文明的能量消耗来衡量一个文明的先进程度。无论文明的内部形态怎样，文明是扩张的还是非扩张的，任何一个文明都是需要消耗能源的，越高等的文明生产力越发达，所能利用和消耗的能量就越多，因此可以通过能量消耗水平来直接判断宇宙文明的技术能力。
人类不同阶段能耗
我们首先回顾一下人类发展的光辉历程，在一千年间，人类人口增加了二十几倍，人均能耗增加了10倍，人类总能耗增加了接近两百倍。
按照卡尔达肖夫指数的观点，一级文明的输出功率在10^16瓦左右，技术上可以完全利用母星能量，换一句话说如果地球达到了一级文明，人类可以改造地球表面以及大气系统，同时具有气候调节能力。比如所谓把西藏的水引到新疆的红旗河工程，在海洋或地下建造城市，把海水淡化后输送到沙漠等都在一级文明的能力范围内。总之对于一级文明而言，地球就是一个大温室，可以为所欲为，随意装饰打扮。
二级文明输出功率达到10^26瓦接近恒星输出水平，三级文明输出功率达到10^36瓦，达到整个星系的输出水平。值得一提的是，文明达到二级以及三级水平以上后，文明活动会直接对所在恒星系产生巨大影响，这种影响可以直接被我们观测到，常见的可能是如果一个二级文明建造所谓的戴森球就会对母星光线造成遮挡，即使是使用其他的供能方式，依旧会产生废热，这些废热会导致该恒星系统红外波段出现观测异常。人类目前已经可以观测大量的河外星系，目前没有发现三级文明。同时人类可以对1000光年以内的恒星进行观测，目前暂时没有发现二级文明。一般观点人类目前的输出功率在1.6×10^13W左右，估计属于0.72级文明。人类输出功率需要增长625倍才能到达一级文明的门槛。
二，人类能否达到一级文明
在讨论人类何时达到一级文明之前，我们首先要解决一个基本问题，假设人类技术能力无限，地球能否承受一个一级宇宙文明呢？如果不能，人类达到一级文明的一个前提就是要大规模进入太空，至少要开发月球，这样一来就大大增大了人类成为一级文明的难度。
为了解决这个问题，我们来分析一下地球的能量利用情况。
地球能量平衡图
上图是地球能量平衡图，简单来说太阳能到地球后大约40%被直接反射进入太空，60%在地球被利用，转化为风能，水能，生物质，最后后变成废热然后通过大气辐射返回宇宙空间，由于地球温度基本不变，因此地球吸收多少太阳能，最终都要以辐射的形式返回。
对于地球生态圈，能量进入多少就要输出多少，太阳对地球辐射的总功率大概在1.7×10^17W，而一类文明的输出功率在10^16W，也就是说人类产生能量应该达到太阳辐射功率的6%左右。这里我们就要考虑能源构成的情况。风能，水能等能量还有我们吃的粮食，本质上就是太阳到达地表那60%的能量转化而来的，人类利用这些能量不会产生额外的后果。核能和石化燃料短期内与太阳对地球的辐射没有关系，使用这些能量相当于额外的给了地球能量，为了维持地球能量平衡，地球大气温度将会升高这样才能增大向宇宙空间的散热，这就会导致全球气温变暖的问题，如果地球气温升高到不适宜人类居住，人类就必须大规模移民太空，这种情况下对于人类资源与技术的要求就会大很多。而太阳能的利用介于二者之间，它一部分用了60%到达地面的太阳辐射，也是用了一部分本该直接反射进入太空的太阳辐射，同样会导致地球能量额外增加，因此也会导致大气温度升高，只不过没有核能与石化燃料那么明显罢了。
在这里我们做一个极端的假设，当人类达到一级文明的时候所产生的辐射功率完全由化石能源或核能产生。人类产生的有效功率是1×10^10W，由于热力学第二定律的限制，假设热机的效率为33%左右，实际上人类消耗的化石能源功率为3×10^16W，其中2×10^16W转化为废热。这个能量相当于太阳辐射功率的18%，地球通过辐射向太空排放的热量应当为现在1.3倍。假设地球为黑体，地球的辐射能力与温度的四次方成正比，目前地球的平均温度为15℃，将来为了移出这些热量大气的温度将达到34.5℃。看上去似乎很高，而且如此规模的全球气温变暖会应当会产生相当严重的气候问题，但是不要忘记了一级文明是可以操纵地球上所有资源的，那时候人类的生存能力绝非现在可以比较。而且在遥远的侏罗纪地球的平均温度也是30多度完全不影响生物的生存。因此在比较极端的情况下，当我们达到一级文明的时候，我们依旧可以在地球生态圈内生存。而未来的情况应当会乐观不少，首先水能和风能这类能源应当有一定的比例，实际产生的废热不会这么高。其次人类已经是一级文明了，调节大气成分，捕集温室气体也是可能的，也就是说我们可以减小大气吸收太阳能，降低大气的散热要求。因此人类达到一级文明并不需要以大规模进入太空为前提。
三，人类达到一级文明的乐观估计
那么问题来了，人类什么时候才能达到一级宇宙文明呢？
常规的观点认为，人类目前的输出功率大约每年增长大约2～3%，如果按照这个规律发展下去人类将在220-330年之间达到一级文明的标准。这个估计是非常乐观的，但是这个假设的前提就在于人类的输出功率一直要保持每年2-3%的增长。有句话曾经这样说过，指数是魔鬼，如果一个细菌无限制的分裂下去，用不了多久就会占领整个宇宙。实际上人类的输出功率不大可能一直保持指数增长。首先人类的技术是阶梯式增长的，一段时间的积累才会有一个飞跃，而在这个积累过程中人类的发展可能会有一个平台期，因此在下一个革命性技术出现之前人类文明发展有可能逐渐减缓甚至停滞。实际上近20年来，人类输出功率的增长率一直在下降，预计不久的将来就会达到2%以下。此外我们目前无法知道科技的发展是否已经走到尽头了，科学理论无法再更新，人类永远保持现状的技术水平也不是不可能。总体而言220-330年达到一级文明是一个非常乐观的估计，这要求人类技术出现革命性的进步，即这300年内人类每隔一百年时间就要出现诸如量子计算，可控核聚变，人工智能这样的技术飞跃。而众所周知可控核聚变是永远的50年，目前看来遥遥无期，但好在这东西毕竟只是工程问题，至少科学理论上，可控核聚变是具有可行性的。我个人的估计是，如果后100年出现成熟的量子计算，大幅提高计算机模拟的算力同时引领新材的出现，再有100年出现可控核聚变应该是有一定可能性的。人类如果顺利踩上这两个技术节点300年左右达到一级宇宙文明完全有可能。
可控核聚变是人类通往一级文明甚至二级文明的重要技术节点
四，人类达到级文明的悲观估计:低技术条件下的一级文明
之前我们提到“人类能源利用量年增长2%”是一个非常乐观的假设。如果我们悲观一些，可控核聚变永远距离我们有50年，量子计算，人工智能均无法实现。我们所能使用的技术只有5G，6G，7G，以及各种改良的工业机器人，我们的材料研发保持现有的进度。那么如果要达到一级文明，此时的一级文明必然是低技术的。甚至有一种可能，就是全人类的能源需求量根本达不到一级文明的标准，因为我们根本没必要用那么多能源。
这里我们提一个问题，假设大家一点都不节约，豆浆喝一碗倒一碗，夏天开暖气，冬天开空调，坐直升飞机上下班，那么大家能够使用的极限能量消耗是多少。显然无论大家如何浪费，只要技术在一定的层面上，能量的消耗都是有固定值的。举例来说，同样是农耕时期，清朝的农民与唐朝的农民实际上能量消耗差不多，人家倒是想要烧点汽油增加一下能耗，可是那个时代连车都没有。另一个例子就是美国与欧盟人均能源消耗量从1990年到2008年之间几乎没有变化。也就是说如果未来我们的技术不出现决定性的进步，那么我们的人均能源消耗可能不会有大的增长。我们的人均能耗估计就会存在一个限定值，这个限定值是多少？以美国为例，美国的人均能耗为全球平均值的4倍，人均牛排大house，正常人的浪费应该到这个程度就是极致了。如果我们的能耗水平达到美国的标准，大概全球的人均能耗会翻4倍。人类从1850年到今天，人均能耗大概翻了4倍，期间还经历过两次技术革命。如果在今后的一百年内再次爆发技术革命（除可控核聚变外），我们估计在2150年前后达到这个上限。
目前我们距离一级文明的输出功率大概差620倍左右，如果悲观预期人类技术已经到达上限，我们的未来最多有两次技术革命，人均能耗只能翻4倍就到达极限的话。为了达到一级文明，只能期待人类人口翻150-160倍了，也就是人类人口需要达到900-1000亿人。
低技术条件下的一级文明是什么状态，大概就是全世界每一寸土地上人口都像深圳一样密集，同时这些人的生活质量与现在的美国人相当。
那么我们的世界能不能住下那么多人呢？我们来看一个基本的事实世界平均人口密度为每平方千米33人，我国人口密度为每平方千米100人，我国的这个数据比较典型，我国人口多而且适宜居住的地方人口密度已经尽可能大了。我国还有大面积不适宜居住的地方，这和世界上的情况非常类似，地球上不可能每片陆地都宜居。那么我们保守估计如果世界人口密度达到我国的水平，也就是人口密度翻3倍是可以实现的，这种情况下要求现在世界上有人居住的地方市政建设与人口都发展到我国现有的水平，并不要求人类去把沙漠冰川之类的恶劣地区变为宜居地，是现有技术下比较容易达到的指标。世界人口翻3倍，这个过程从工业革命以后的人口增长来看大概需要120年。
因此比较确定的是，在没有技术突破，且人类生育意愿不降低的情况下，我们的能耗将在2150年前后翻10-15倍，这是比较有把握的。实际平均增长率在1.5-2%左右。达到这个水平后，人类的能耗增长就只能完全依靠人口增长了，按照人口增长率120年翻3倍来看，年增长率在0.9%左右。假设人类的输出功率在150年内以1.5%的增长率增长，此后以0.9%的增长率增长直到达到一级文明这个过程大约需要600-650年。
一个恐怖的事实在于人类人口最终达到1000亿，那时的人口密度将达到4950人每平方千米，这个人口密度比深圳低一点，也就是说要达到这个人口密度全世界各地，包括南极洲，撒哈拉大沙漠，都要变得像深圳一样宜居。看似这是不可能完成的事情，但是不要忘记了我们是一级文明，到了这个水平之后地球上的高山海洋，冰川我们可以随便利用，海上地下造城市也不是问题。
五，能源开发能力对生育意愿的制约
以上的估计在人均能耗方面存在一定的悲观预期，因为技术发展人们可能有新的能耗需求，比如我们可能在未来诞生出坐着火箭去旅行的需求。同时随着人口增长我们必然要开垦一些不适宜耕种的土地，这样能耗的需求也会增加，这个过程类似于能源的贬值，我们吃同样的牛排，住同样的house可能消耗的能源却在增加，因此以上估计对人均能耗存在悲观的预期。于此相对的，对人类生育率的预期却是大大乐观了。
从世界人口自然增长率来看，几乎所有国家人口增长率都在下降
从目前的情况来看，人类生育率恐怕难以维持，经济发达的地区人类生育率在持续降低，同时诸如印度，非洲之类的地区虽然经济不发达，生育率虽然高，但是与同时期的中国，美国，欧洲相比实际上生育率实际上已经偏低了。换一句话说，咱像非洲印度那么穷的时候比他们能生，印度真要发展到我们的水平未必比我们能生。有研究甚至认为在2100年前后世界人口将要停止增长，一旦出现这种情况那么我们恐怕就无法达到一级文明了。
但是这里也要强调一点，生育率这个问题可以看作人类作为一个整体对于生态，资源和能量做的一个平衡，是一个自然调节过程。现在生育率降低的问题表面上有房价，社会竞争，阶级流动的影响。但本质上生产力决定生产关系，是我们的资源，能量无法满足人口扩张，人类作为一个种群内部自然的一个调节状态。如果人类发展了，蛋糕做大了生育率自然会回升。就以中国古代来说，中国从汉朝到明朝，人口也有过周期性的下跌，但最后工业革命以后还不是照样爆炸。因此比较乐观的估计是只要生产力发达能源足够，生育率还会再涨上去。不要忘了未来只要有了充足的能源供应，人类是可以为所欲为的，弄个人工子宫之类的，生孩子只要弄点DNA就行了，那时候人类的生育意愿又会提高。
六，未来能源开发的增长能力
所以生育问题本质上和能量消耗是一个相互反馈的过程，人类开发能源的能力本质上给人口增长上了一个枷锁，人口增长本质上还是要依靠人类活动范围的扩张以及能源获取能力的增强。所以这又回到了一个问题，人类输出功率要达到10^16W，这些能量要从哪里来？
首先，之前提到的比较高端的能源就是可控核聚变，而且能量管够，按照人类目前的消耗，可控核聚变可以保证人类百亿年级别的能量供应，即使发展到一级文明，能量消耗约为现在的600倍，人类依靠可控核聚变也可以维持一千五百万年。因此有了可控核聚变能量来源并不是问题
但万一情况极端一点，这项技术永远停留在未来的50年，那么我们利用现有技术能不能达到这个目标呢。
我们先来看石化能源，有一种说法是按照目前的化石能源储量也就维持人类几百年的消耗，当人类达到一级文明的时候，也就一年时间就会把现有的化石能源消耗一空。当然化石能源也在不断被发现，在这里我们再做一个非常乐观的估计。石化能源生成的地质时期跨度大约3亿年左右，太阳辐射能量0.1%被用于光合作用，植物的光合转换效率为0.3%，即使这三亿年间植物所有的光合作用都产生化石能源也就相当于900年的太阳辐射。按照一级文明辐射功率达到太阳辐射的6%，热机效率为33%估计，人类最多可以依靠化石能源维持5000年的能源消耗。这个估计绝对乐观，因为在生态圈里本身有损耗，会被其他动物摄取分解，而且植物体也不可能完全转化为化石能源。但总体而言，人类依靠化石能源维持一级文明的输出功率也就能持续千年甚至百年级别，终究是不可再生的。
最后 再来看太阳能，前文所说一类文明的输出功率相当于太阳对地球辐射的6%，如果考虑采用光伏发电，按照现有设备光电转化效率在20%来看，我们需要用光伏设备吸收30%左右的太阳对地辐射，这还是绰绰有余的，因此只要太阳还在我们就可以依靠利用太阳能达到一级文明。
没有可控核聚变未来我们的能源来源将主要以太阳能，风能，水能为主。
即使我们搞不出可控核聚变，利用太阳能电池板大力出奇迹，目前全球光伏装机容量在150GW左右，年增长10%，按照这个比例预计需要120年我们的装机容量就能达到一级文明的标准。显然这个估计是极端乐观的，所谓指数是魔鬼，光伏装机容量不可能以这个速率增长。我们做一个计算：既然要使用太阳能就要看太阳能电池板，太阳能电池板的发电功率在每平方米140W左右，考虑到晚上不能发电，阴雨天不能发电，实际发电功率我们按20W计算，那么达到10^16W需要的太阳能电池板面积为5亿平方公里，这是什么概念呢，这个面积已经接近地球表面积了，因此如果要用太阳能达到这个输出指标，基本上就要用太阳能电池板把地球包裹起来了。看起来是天方夜谭，但我们是一级文明，是可以调用地球上任何资源的，因此这个计算结果虽然疯狂但是也是可以实现的，属于量变问题。但显然我们不可能在120年内达到这个工程进度，比较可能出现的情况是越到后期你就必须在高山和海洋上布置太阳能电池板，工程难度越来越大，最后光伏装机容量增长率会逐渐下降，这个增长不可能是指数的。
七，人类扩张能力与光伏装机能力的估计
光伏系统的最终年增长率相当难以估计，因为这实际上涉及到了人类对地球的开发能力，是人类在地球上的扩张能力。为了强行估计这个能力，我们用城市面积与耕地面积的扩张来做参考。按照估计近30年来城市面积的扩张了80%，也就是年扩张1.9%左右，近十年来耕地面积扩张了2.2%也就是年扩张0.2%。在这里我们以耕地面积扩张来估计人类的扩张能力也就是年扩张0.2%。这个估计相对保守，因为人类活动过程中耕地在一些情况下会转化为城市用地，这一部分也属于人类活动范围的扩张，但我们忽略这一点。另外这个扩张速率理论上是可以持续的，因为它显著低于人类的输出功率增长，也就是说人类可以利用新扩张的土地安装光伏设备，产生的能量用于继续扩张土地，因此人类年扩张能力0.2%是可以在相当长的时间保持指数增长的。
这样一来我们来估计最极端的情况，人类技术没有任何进步，未来石化能源耗尽，没有可控核聚变，只能依靠太阳能，人类只能进行缓慢的扩张，开垦耕地安装光伏设备，建造城市，这个扩张速率是0.2%/年。我们悲观一点，假设届时从现在开始人口增长率以及能源消耗量都以这个比例扩张，那么人类要达到一级文明需要3250年左右。
八，最后的总结
如果对人类何时达到一级文明的水平做一个总结，关键的节点在于可控核聚变，如果可控核聚变可以实现，估计在250年左右。如果可控核聚变无法实现，比较悲观的估计需要3250年。当然这里面不考虑技术对人类发展的加速或抑制作用，也不考虑人类自我毁灭这类极端情况。总之人类社会的发展是一个非常复杂的过程，以上估计依旧有很多欠缺的地方。当然我个人对于人类到达一级文明是比较乐观的，应该是在几百年这个时间段。
