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大规模太空资源开采,在未来十年将成为现实

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出品:“SELF格致论道讲坛”公众号(ID:SELFtalks),作者:苏萌,香港大学空间研究实验室执行主任,未来论坛青创联盟成员。


大家下午好。2007年8月,我从北大物理系毕业,到哈佛大学天文系攻读博士学位,来到了梦寐以求的全球最好的高等学府之一,心情非常激动。

 

每天从早到晚有各种各样的学术活动、学术报告,安排的满满当当。只要你愿意,可以从早到晚感受天文学带来的非常激动的心情。


有一天,一位年过半百、头发花白的老教授来到我们办公室找他的一个学生,看见我之后问我是新来的研究生吗?我说是。

 

他说:“我给你一个非常有意思的研究课题,你有没有兴趣?”我说:“好。我正在寻找有意思的课题,已经跟好几个教授谈过了。”他问我对什么感兴趣,我说想研究宇宙的起源、演化,研究行星如何形成等等。

 

他给了我一个非常有意思的题目——小行星采矿。当时我一听,感觉非常不靠谱,有点像科幻电影。我当时一愣,他就给我解释为什么做小行星采矿。

 

为什么进行小行星采矿


人类历史上发射了各种各样的望远镜,到太空中探寻宇宙的奥秘。哈勃望远镜是最厉害的望远镜之一。下图为詹姆斯·韦伯望远镜与哈勃望远镜。


左:詹姆斯·韦伯望远镜  右:哈勃望远镜


图片最下方有一个人,大家可以想象这是多么庞大的工程,花了几十年的时间,从二战时期提出想法,到1990年才把哈勃望远镜送到太空,花了几十亿美元。

 

2007年,哈勃望远镜已经运行了将近20年的时间。宇宙是加速膨胀的,但这是一个难以想象的场景,宇宙学家通过哈勃望远镜知道宇宙是加速膨胀的,之后很长时间,几代天文学家都在梦想着下一代设备在什么地方。


到现在,哈勃望远镜升空已经近30年了,下一代望远镜——詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope)诞生。

 

詹姆斯·韦伯望远镜耗资近100亿美元,与一艘新型航母的造价差不多。人类已经到达这样的阶段,靠政府投资满足科学家的好奇心已经走到了边界。

 

为什么要进行小行星采矿?每一个学科发展到一定阶段,想继续实现快速发展,要靠这个学科本身给社会创造的价值,要通过市场化运作发现这个学科实实在在给人类的发展和进化带来实际好处。

 

比如计算机技术,人工智能,生物医药等领域,其发展不是靠政府拨款迭代前进的,而是真正看到了它们对社会的反哺。

 

天文学是一门很古老的学科,人类的好奇心主导着天文学的前进,一代又一代天文学家试图回答一些最基本的科学问题,但今天,依靠好奇心本身驱使的科学研究即将到达一个边界。

 

我们要通过天文学研究为社会带来实际的对社会的反哺,才能让这个领域得到更多的市场资源、社会资源。这是下个阶段继续了解宇宙起源规律、实现突破、回答终极问题的本质渠道。

 

当时教授给我讲了很长时间,我差不多能回想起这么多。我听完以后觉得很酷,打开了我的脑洞,我对宇宙各种各样的知识很感兴趣,但这颠覆了我的观念,我还真没有考虑过几十年之后天文学如何发展。

 

但当时依然觉得小行星采矿是一件非常遥远的事,像科幻电影一样,太不靠谱了。所以我的预言实现了,就在几年前,小行星采矿真的成为科幻影视作品的题材,比如美剧《The Expanse》。

 

美剧《The Expanse》海报


这部剧的主要剧情是,2200年,人类实现了大规模的小行星采矿,整个太阳系变成了人类的后花园。人类出现了地球种族、火星种族,还有小行星种族,小行星种族其实就是旷工。有这么多人给整个太阳系的人类提供资源,这三波人也发生了很多有趣的故事。

 

当时跟我谈话的教授——Martin Elvis,他的预言也实现了。2017年7月,一颗小行星近距离飞越地球附近。近距离指地球与月球距离的6倍左右(240万公里),在天文的尺度下该距离已经非常近了。

 

小行星2011 UW-158


通过地面和空间望远镜对小行星进行多波段的观测后,发现这颗小行星上主要的成分是铁、镍、钴、铂、水。如果把小行星上的铂金开采到地表,比人类历史上发现的地球表面处储藏的铂金还要多。

 

小行星主要储存资源


举个例子,铂金是一种贵金属,地表的铂金是怎么来的?就是地球46亿年演化历史中,小行星砸到地表时留下来的残骸。地球最开始形成时的铂金已经沉到了地心。

 

这颗小行星铂金的市面价值大约为1.7万亿美元。所以,这颗小行星掠过地面时,大家可以想象,眼看着1万亿美元飘过去了。

 

这颗小行星不是很大,只有1000m×500m大小,这种小行星在太阳系里有数百万颗。所以大家可以想象,太阳系有多少资源,而人类只看着地球,反复开采自己家园的资源,反复污染自己的环境。所以我们人类发展的未来,一定要走到太空中去。

 

小行星开采发展现状

 

2010年,日本“隼鸟1号”首次将小行星物质带回地表,虽然只有一克。现在,“隼鸟2号”到达小行星“龙宫”上进行物质开采。


隼鸟2号


“龙宫”小行星


美国NASA已经发射行星探测器到“贝努”小行星进行探测。而这颗“贝努”小行星,经过轨道计算,有可能在未来100年与地球相撞。

 

日本和美国的小行星探测项目将带回几公斤的物质供科学研究,还不能进行大规模商业化开采。

 

天文学要做什么事情?地球附近有一类小行星——近地小行星,离地球最近,开采成本最低。所以天文学家可以通过地面和空间的设备望远镜,探寻近地小行星的数量、位置、运行轨道、资源等。这就是现在我们试图在做的一些事情。

 

2015年,美国通过太空法律,鼓励美国公民进行民间商业化的太空资源开采;2016年,卢森堡出台法律,保障私人运营商对开采的太空资源的权利,即谁开采,物质就归谁,所以现在全世界大约20多家小型采矿公司在卢森堡进行注册,商业市场已经发展得非常迅速了。

 

目前,美国最领先的太空资源开采公司为“行星资源开发公司”。下图显示的并非真实场景,但正在往这个方向发展,虽然今天还没有实现对太空资源的大规模工业化开采、工业化利用,但在未来的10年、20年,这会在我们的生活中发生。

 

设想图


高盛最近有一篇关于小行星采矿的报告,指出人们对小行星采矿的心理障碍远远高于技术障碍和资金需求。人们觉得小行星采矿是难以想象的事情,但其实已经没有本质的技术障碍了。

 

500年前西班牙的航海家来东方寻找香料、黄金、更多的资源。为什么会有大航海时代?由于欧洲资源受限,大家开始打开眼界,到更大的范围,到地球的另一端寻找资源。

 

大航海时代


这些行为改变了人类的历史,改变了社会架构与世界版图。我们今天经历着同样的事情,建立大航天时代。太空资源存量远远超越地球资源,如何利用太空资源、怎样改变人类社会的运行架构,是非常大的命题,也不是我们可以简单回答的命题。

 

举个例子,门捷列夫发现元素周期表,被授予一个铝制奖杯,当时铝远远贵于黄金或者其他金属,因为铝最稀少。但后来电解铝的发明使制铝成为最便宜的工艺之一,使世界工业发生了变化。因此,整个工业架构是基于我们所有能利用的资源比例设定的。

 

再举个例子,西班牙从美洲带回的黄金和白银使整个欧洲发生了严重的通货膨胀,当时社会不再受到资源的限制,突破了当时欧洲局限。我们带回来的太空资源也将突破地球的局限,使人类社会不再受资源的限制,走到更远的未来。

 

重新定义文明与生命

 

有了太空资源,我们可以定义人类文明进化的不同阶段。1964年,前苏联的天体物理学家也曾提出这个概念。


一个文明发展到一定阶段,能够充分利用它所在行星上的资源,定义为“文明1.0”;能够充分利用它所在恒星系统的资源,定义为“文明2.0”;能够充分利用整个星系的资源,如银河系,定义为“文明3.0”。


文明发展路径


今天人类的文明在哪里?大概在0.7,我们还没有充分利用地球资源,也没有真正打开太空资源的宝库。但如果对太空资源充分利用,尤其是近地小行星的资源,人类的文明将跨越1.0,这是一个非常重要的关口。

 

学术界有样的观点,高智慧文明发展到一定阶段很难跨越到新阶段——成为多星球种族。永远生活在一个星球会面临很多危机,不管是自我毁灭还是环境造成的毁灭,比如恐龙灭绝。

 

所以回到这样的问题:天文学家为什么要研究宇宙?

 

首先,我认为理解宇宙是人类文明前进的必由之路。人是有好奇心的智慧物种。A不研究,B不研究,最后总会有C会研究,好奇心是挡不住的,驱使着历史的车轮滚滚向前,人类文明不断进步。这就是为什么总有一拨人想仰望星空、研究宇宙,想解答问题,再告诉公众,这拨人就是天文学家。

 

第二,现在人类对天文、对宇宙的理解到了一个转变点,shifting point。我们对地球周围的环境,对太阳系的研究到达这样的阶段,科学和技术不断发展、不断融合,使我们有能力在未来的10年、20年开始打开太空资源的大门。这是以前的文明不曾做到的,而我们今天正处在这样的转变点。

 

第三,这是生命演化的必由之路,是自然规律。不只是人类,只要有高等智慧生命的存在,它们也会充分利用能够接触到的物质能量发展自身,这是一个自然规律。

 

大家可以想象,从138亿年前宇宙诞生到46亿年前地球形成,再到生命慢慢开始在地球演化,花了多长时间才产生人类,人类又花了多长时间才产生文明,文明花了多长时间来到了今天的节点。

 

宇宙发展轨迹


走出地球、仰望太空是一个指数快速增长和积累的过程。今天是文明0.7,什么时候能到文明1.0,什么时候到2.0,什么时候到3.0?这可能是一个远远超过大家想象的发展过程。

 

从天文学家的角度,我们觉得可能未来20年、50年,天文学和太空科技的结合会改变人类的生活方式。

 

但今天天文学试图要回答一个很基本的问题:是否存在地外文明?或者说人类该如何成为一个多星球的种族,降低文明被毁灭的危机,再或者说,我们现在能够仰望星空的这样一个高智慧文明在宇宙中是不是孤独的。这是一个长久以来科学家和公众试图去思考、寻找证据的课题。

 

宇宙中再形成一个地球,地球上还有人,这是一件非常困难的事情。如果20年前问我这个问题:除了地球,其它星系还有地球吗?我会回答:可能很难。

 

如今,随着天文学的进展与技术的进步,太空中的越来越大、越来越贵的望远镜告诉我们一些真相,比如银河系里大约有1000亿颗恒星,估计行星的数量大过恒星的数量,这是20年前完全不可想象的事情。

 

下图展示了部分已被人类发现的星球。


已探测到的星球


现在,人类已经发现了四、五千颗行星,即使这些行星长得像地球,也很难有生命的演化。但也可能是我们的想象力太狭窄了,可能有我们完全无法理解的其他的智慧生命。但迄今为止并没有找到,可能因为丛林法则,我们没有看到地外生命的存在,也可能地外生命看到了我们,但我们还不知道。

 

离地球最近的恒星是比邻星,距离离地球4光年左右。比邻星旁发现了一个跟地球差不多的行星,可能是今天的技术最远能够到达的行星。

 

2016年,霍金及其他科学家启动“突破摄星”计划,把一个1g重的芯片运到比邻星附近,看一看这个行星是否适合人类居住。


突破摄星计划


4光年,即使把速度加速至20%的光速,也需要20年时间,再用4年的时间把信号传回地球。所以,从发射那天开始,25年后就可以知道比邻星旁边的行星是否适合人类居住。

 

依靠太阳的能量,即“光帆技术”,帮助飞行器提升速度、解决燃料问题。这是今天的科技水平能想出来的最棒的办法了。

 

2017年,人类发现了一个天体,下图是它想象的样子。


小行星“Oumuamua”


该天体以奇怪的轨道快速进入到太阳系,之后又迅速离开。分析后发现,这是人类迄今为止观测到的第一个从太阳系以外飞进太阳系的天体。

 

这个天体与我们发现的太阳系里数百万颗小行星一点都不一样。比如,它长得像雪茄,长短比至少是10:1,我们无法对它进行更详细的测量。人类从未在太阳系中观测到这样一个长得像飞盘一样的东西。

 

不仅如此,对它进行一段时间的观察后,科学家发现它不是按照传统的行星运动轨迹运动,或者说不符合传统牛顿定律。越接近太阳系中心,它运动得越快,这完全超出人的想象。

 

哈佛天文系的系主任在预印本arXiv上发表一篇文章,指出Oumuamua可能是一个光帆。如果它是一个光帆,它的形态、运动轨迹,我们认为很奇怪的事情都可以解释通了。

 

有三种可能:第一,他错了;第二,它可能真的是一个光帆,其他文明造了这个光帆,专门来到太阳系逛一趟;第三,这个文明已经不存在了,但这个光帆是文明的遗迹,是原来它们制作的星际旅行设备的一部分,跑到了太阳系。

 

可能有超越我们想象之外的文明的存在,也可能它真的不存在了,地面望远镜、空间望远镜非常灵敏,如果有地外文明,望远镜一定可以看到。但望远镜并没有探测到,有可能高智慧文明与我们不是同时存在于宇宙的角落里,但它有可能真的存在过。

 

除了文明,也可以定义“生命1.0”、“生命2.0”、生命“3.0”。细菌是“生命1.0”的代表,它的硬件是固定的,繁殖是它唯一的进化机会,进化模式非常缓慢。

 

人类是“生命2.0”的代表,我们的硬件不变,但整个生命过程中,人类不断地学习,不断地变聪明,不断地用知识改变自己。硬件不变,但软件不断升级。

 

什么是“生命3.0”?生命本身不一定依赖于硬件、依赖于身体存在,生命可以完全以软件的形式存在,如果软件可以随时随地升级,生命就可以反复、迅速的成长。

 

生命进化历程


大家可能看过这部著名科幻电影,生命的演化速度可以远远超过人的想象。它可能真的是一个高智慧生命,打一个响指,整个宇宙就发生了变化,这不是完全不可想象的事情。

 

灭霸,电影《复仇者联盟》角色


还有一部科幻电影——《Contact》,主要剧情是一个女天文学家利用世界最大的天文射电望远镜——甚大阵射电望远镜(Very Large Array),一直盯着天上看。


电影《Contact》海报


然后她接收到了来自外星生命的指令,人类按照这个指令的指南造了一个巨大的机器,使人类实现了穿越,让女科学家到达仙女座星系,正是发出信号的文明的旁边。

 

这个文明进行了一次传播,告诉大家这儿有一个文明,希望人类做这样一件事情。其实人类看着它是黑盒子,不知道它要干什么。这很像病毒的传播方式,比如,有的人电脑里面收到一封带有附件的邮件,出于好奇会打开,一旦打开电脑就会中毒。

 

此时,你这个文明本身的存在就失去了意义,因为你能做的事情就是听这个病毒的指令,把周围的物质、能源全部转换成它需要的东西。进而,以你的文明为基础,以病毒的方式反复传播,最后把整个宇宙的物质和能源全部消耗殆尽。如果不能很好的控制高智慧文明的发展,这就是可能面临的后果。

 

宇宙形成距今已经138亿年了,宇宙从一个很卑微的起点开始演化到今天,所有的事情都是按照物理的规律、按部就班地发展到现在。

 

但是我们其实是最幸运的那一部分,我们能享受宇宙的美丽,也或许会真的见证这样的shifting point。我们真的在打开一个边界,通过“生命2.0”再孵化出更高级的生命,有可能改变宇宙未来的发展规律。通过AGI(Artificial General Intelligence,通用人工智能)向宇宙传播生命存在的信息。

 

大脑与宇宙


我们的大脑里有1000亿个神经元,宇宙里有1000亿个星系,它们的分布形式都是网络式的,每一个点都多姿多彩,我一直都为这件事情感到非常惊奇。

 

左:宇宙星系分布  右:人类大脑神经元


我们认为宇宙是最复杂的,其实,从这个角度看,我们的大脑跟宇宙的复杂程度是类似的,人类的大脑可能是宇宙能够孵化出来的最复杂的结构,这就是宇宙所有的寄望所在。


宇宙花这么长时间孵化出来智慧的生命,孵化出高等文明,希望这个文明能做点什么改变宇宙未来的命运。

 

宇宙中最不可思议的事情是宇宙竟然是可以被理解的。我们的大脑只有两斤重,但可以装下整个宇宙,这是一件难以置信的事情。

 

但我觉得宇宙最不可思议的事情是宇宙竟然可以孕育出欣赏它的智慧生命。下图显示的是MIT的一门课程——《Artificial General Intelligence》。图片致敬一部非常有名的科幻电影,可能在大家的有生之年真的可以看到这样一幕的发生。

 

MIT课程《Artificial General Intelligence》


能够在今天这样一个时代,亲历走出地球、突破极限、走向太空的时代,真的是非常幸运的一件事情。谢谢大家。


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