科学课第60讲 能量

人类文明的进步，背后是掌控能量的能力在升级。

动物不会使用工具，所以也不会借用外部的力量。人类之能够碾压其他动物，外部能量利用的好，是一项非常重要的因素。

原始人的生活虽然艰苦，但相比其他动物已经是非常厉害了。

先说说追猎。我们经常被教育，人跑不过动物，实际这是错觉。

原始人就是用追猎的手段抓各种羚羊、野牛、鹿、狐狸、兔子的，效率非常高。非洲人现在还是这种打猎法。

选择一个非常热的中午，人事先喝下大量的水，然后开始追羚羊，10次能成功5次，把羚羊累趴下动不了。失败那5次是因为羚羊脱离视线，简单说就是跟丢了。如果不跟丢一定能跑死它。

一次追击时间平均用4个小时，跑17到35公里。

为了防止追丢，一般是4个人一起追。平均一人能收获5公斤肉。如果带上狗，成功率大大增加，平均一人能收获25公斤肉。提高5倍。

为什么狗能提高成功率呢？狗能近前骚扰，增加动物乱跑的次数，还不容易跟丢，还能搏斗牵制，所以狗的效率更高。小兔子、狐狸光用狗就能追死，都不用猎人出手。

人有几大优势得说一下：

1、 我们身上没毛，遍布汗腺，喝够水之后在高温下奔跑，一边跑一边出汗，一点事都没有。动物散热不行，很快就高温脱水了。

2、 视力。

老虎是什么颜色的？黄色黑色斑纹，这在绿色的草丛里能隐蔽吗？狮子毛也是一样的棕黄色。这怎么能是保护色呢？你想过这个问题吗？

这在自然界不算问题，因为哺乳动物大部分是色盲，而且是红绿色盲，关键是分不清绿，从牛的眼睛看草都是黄色，那老虎狮子在草后确实很难看出来。

人的视力能轻松分辨绿色和黄色，很容易找到动物，所以动物被人盯上就跑不了。人类找成熟的果实也很容易。

还有，除了长颈鹿和大象，好像人的眼睛是位置最高的，这就可以居高临下看，更适合捕猎。这是直立行走的又一个好处。

3、 补充能量快。人背着吃的喝的，甚至可以边跑边吃，动物们可不行，他们要吃要喝都得停下来，人不会给它这个机会的。

4、 智力因素。这个很容易忽略。动物们的空间想象力很差，它们以为看不见人了就算是把人甩掉了，实际我们在平地上会让动物跑大圈，我们抄近路。有山的地方让动物耗费体力去翻山，我们绕着走，然后突然出现在它面前。动物吓得又是一顿乱跑。我们有提前想象路线的能力。动物就惨了。

5、 人类的诡计。我们有换位思考能力，可以想象我们是动物时能看到什么，我们可以利用各种岩石、树木的死角，悄悄的隐藏自己，然后突然出现在它面前。给它吓炸毛，逼得它疯狂冲刺跑。这是动物最耗费体力，最不擅长的。几次之后动物就体力耗尽，躺下干喘了。

6、能够抓握的手，利用木头和石头做出各种武器，延长了手臂和牙齿，具备远程攻击能力，其他动物全都不行。狮子老虎看着厉害，但它爪子伤了就抓不到动物，牙掉了就不能吃东西，只能饿死。而人的工具可以随时换新的。

我们还没用陷阱、悬崖、河流、拦索、诱饵、夹子……这些招数呢。

就算这样我们还算公平竞争，我们的对手都是体力最好的成年动物。如果是小幼崽、怀孕的、受伤的、年老的、得病的动物，那就更轻松了。我们不需要追到最能跑的那个动物，我们只需要追到跑的最慢的那一只就够了。

你想想动物们看到人类得是多么的绝望。

能总结出来的优势还有很多。

单独来说一下马。

我们认为骑兵比步兵速度快，马后背驼个人还能跑那么快，人肯定不是马的对手。而且有千里马之说，也就是说马一天能跑500公里。

在短时间看，人跑不过四足动物。但是把时间拉到天这个尺度，任何动物都比不过人，包括最能跑的马。

骑兵骑马全速奔跑，一分钟500米那种，只要超过5分钟，就等于要了马的老命。马根本就不能长时间高速奔跑。跑一会儿可以。

长距离时，马一般是小跑或者是走。

带人，马一天最多能走80公里。然后就累趴下了，好几天缓不过来。

而运动员一天能跑246公里。

专业运动员不算，我们来看普通人。有记载的人类徒步行军速度最快的是中国志愿军奇袭三所里，14小时70公里。飞夺泸定桥一日夜120公里，而且全部是崎岖山路，到达之后还有体力作战。

真正长途行军的时候，步兵还要等骑兵。因为马吃东西得4个小时，休息得10个小时。而且骑兵在移动的时候，马是不骑的，牵着走。

即使已经是天下无敌了，人类也没有满足，在掌控更高能量的方向上越走越远。

上面提到这些都是小儿科，到这，我们掌握的只是自己的力量。

后来人们学会利用火，把植物中的碳和空气中的氧气结合产生的化学能加以利用。一直到现在，我们都是在越来越好的利用化学能。

我们构建了更加精巧的机器，可以把能量约束起来，在我们需要的时候随时释放出来，这是最核心的能力。

最开始是火堆，能量四处乱跑，浪费很大，我们只能利用很小一部分，利用率顶多1%。

后来发明了炉子，就把火的热量拢在一起，节约了很多。利用率差不多是7%。

现在更是用锅炉，让火完全在锅炉肚子里燃烧，争取把能量全部利用上，一点不跑。利用率能达到50%。发电厂锅炉能达到70%甚至更高。

更明显的是看武器的发展。

最早就是矛，用的是胳膊的力量。随时发力，马上就消耗掉了。它不能蓄力。

后来发明了弓箭，用的是弓的弹力。这有什么区别呢？它把拉弓的整个过程的力量都攒起来了，也相当于攒了一点时间。在需要的时候一次性放出去。就比简单的投掷要高效的多。而且把蓄力和瞄准两个过程分开，箭可以射的更远，射的更准。

后来我们发现，弓拉起来之后，保持的时候我们也费力，但是箭的力量不再增加了，不划算。所以我们想到了一个机关，给弓弦卡住，用的时候一钩扳机，箭才发射。这就是把力量保存起来。

能蓄力的后来还有弹簧、皮筋、气压。我们有各种玩具枪，都是在利用各种方法蓄力。

以上是冷兵器时代。

燃烧也能提供能量，但想利用它做武器还是有点难。

木头和煤我们知道能燃烧，但这种燃烧在武器当中用不上。顶多是烧一锅热油，守城的时候用，往城下倒，去烫那些攻城的士兵。它的能量攒不了多久。得提前很久烧，要不然不热。热了之后还得继续烧，不然就又凉了。很麻烦，有没有更好的办法呢？

得想办法把热量约束起来。首先想到了密闭空间。但是你把木头或者煤放到密闭的空间里根本点不着，因为缺什么？缺氧气。

你提供了氧气，它的热量也会顺着空隙跑出去。进的来就出的去，这是一对矛盾，导致热量没法利用。

我们想想太上老君炉，用它烧孙悟空，有没有发现这里有bug（漏洞）？如果把孙悟空放进去，不堵上四周的窟窿，孙悟空就变小跑出去了，他有七十二般变化，很容易自做到。堵上四周的窟窿，炉子里的火就灭了。神话故事有很多不够严谨的地方。

怎么解决内部供氧的问题呢？中国人意外发现了火药。

火药是硫磺木炭硝酸钾，硫磺、和木炭是提供燃烧的，硝酸钾是提供氧气的。塞到炮筒里约束起来，只需要留一个小口，出来一条引线就可以。这就是一次巨大的升级。我们能利用更高级的能量了。

你也可以用纸把火药约束起来，这是什么？鞭炮。

中国人也发明了火箭，绑在箭杆上，点燃之后算好时间再射向空中，火药空中喷射，增加箭的射程。

你还能想到火药的其他利用方法吗？

二踢脚。放到钢管里，也像火箭筒一样发射，它打到对面还能再炸一次。

火药的爆炸威力还是太小了，诺贝尔发明的硝酸甘油炸药才更厉害。我们用它做雷管，可以炸山，炸石头。这就可以在特定的路口埋伏好，等敌人来了，把山上的巨石炸下来，砸敌人或者堵住敌人逃跑。

更重要的是，它能做成子弹。

最早的炮有什么问题？

打一炮之后，炮筒就空了，得重新塞引线、填药，拿木杵压紧，然后塞进去一个铁球，打出。想想这得多费劲？十分钟能打一炮，对方早冲进来了。

最大的问题是不能连发。炮筒是铸铁的，打一炮就很热了，连续打就会更热，你又不能浇水降温，炮管如果湿了火药就点不着了，不降温就添火药，很容易直接爆。在战场那种危机的时刻，顾不了那么多，赶紧填药打下一发，因此很多填药士兵被自己的炮炸死。

怎么改进呢？

我们已经想到答案了，就是用炮弹。把药和弹头结合到一起。它的好处很明显，把填药的时间放到工厂里完成，战场上的时间就节约下来了。炮弹整整齐齐的摆好，也比一堆火药安全。火药怕潮怕火，装炮弹里这些问题都避免了。这也是一种积攒力量。

我们把炮弹小型化，就是子弹。想想子弹也是一样的道理。我们把炸药的化学能约束在子弹里，等需要的时候一扣扳机，力量就释放出来，给对方巨大的伤害。

我们还用精巧的机构，实现了连发。这就是机关枪和冲锋枪，甚至加特林。让能量能够集中快速的释放。武器的威力因此就越来越大。

第二次世界大战以前，都是这种常规武器的天下。

但这一切在后期又有了一次重大升级，这就是核武器。我们找到了蕴藏在原子核内部的能量，虽然释放起来非常困难，可一旦释放，那将是毁天灭地的巨大能量。

想想以前我们讲过原子弹的制作，美国为此建了3个工厂，研究了很多年，制造了很多年，几十万人的努力，才制造出来3颗。这相当于把十多年、几十万人的能量聚集在一起，同时释放，这就能赢得胜利。原子弹就是能量聚集使用的典范。

现在我们的文明都是建立在能量的积累上的。

一个手机，软件开发十几万人，芯片制造十几万人，产品组装十几万人，研制时间几十年，这些积累，才有了我们现在的方便。

一台汽车，发动机改进了上百年，现在已经很好的把汽油约束在车里，轻轻的一踩油门，汽油的能量就缓缓的释放，需要多少放多少，连续不断，安全可靠，这是很不容易的。

电动汽车，现在也有几十万人在研究电池技术，存储更多的电力，还不能太大、太重，还不能过热燃烧，经过撞击不能爆炸，太冷也能使用，充电放电次数还得多，这是非常难的目标，但也在一步一步的突破。我们很快就能享受到电动汽车带给我们的方便了。

我们现在生活的全部，都是多年的累积效应。

那还能不能再次突破呢？我们现在正处在下一次革命的前沿，很有可能在你们这一代实现全新的飞跃，你们要多努力。

在爷爷奶奶那一代，人类实现了两弹一星的伟大壮举；

在我这一代，见证了电脑软硬件行业的突飞猛进，摩尔定律，芯片技术每十八个月性能翻一番，成本下降一半。这也是奇迹。

在你们这一代，可以突破的点非常多，太空探索、新能源技术、可控核聚变、大数据人工智能、机器人、虚拟现实、基因工程，这些都大有可为，对未来还是充满期待的。

卡尔达舍夫的文明等级

在1964年，苏联天文学家尼古拉·卡尔达舍夫（Nikolai Kardashev）设想了几种文明的等级，划分的标准就是掌握不同能量控制技术。

一级文明能开发并利用一颗行星及其全部卫星的全部能量。

二级文明能开发并利用一整个恒星系的全部能量。

三级文明能开发并利用一整个星系的全部能量。

能控制恒星能量的宇宙文明被划分为第二类文明类型，这样的文明可控制超过我们100亿倍的能量，获得一颗恒星的全部能量输出。

这是比我们高级的多的文明，我们怎么发现他们呢？科学家已经有办法了。

与卡尔达舍夫同时期的物理学家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）提出了一个“球形能量源”的概念，要想获得恒星的全部能量，得恒星周围建立起球形结构，这才能获得最大化的恒星能量。这个超级能量壳体就是所谓的“戴森球”。

我们按照这个特征去找“戴森球”

上个世纪七十年代，天文学家们进行一项对全天25万个天体的红外巡天调查，发现了17个类似戴森球特征的天体。

想想雷神的武器，那把暴风战斧，就是用一颗中子星做的。这就已经达到二级文明水平。

科学家认为猎犬座M51螺旋星系是一个理想的寻找戴森球的场所，距离我们6000万光年，它不存在尘埃团的干扰，我们争取找到突然变暗的星球，或者不寻常的暗淡空间。

我们如果找到的二级文明，可以顺便把我们也代入二级文明。

在卡尔达舍夫文明体系中，可利用最高能量的宇宙文明为第三类文明，足以控制整个星系中的所有能量。但现有的天文观测并未发现整个星系的能量发生无法解释的现象，所以第三类文明要么不存在，要么至少目前还未出现。

我们现在处在什么程度呢？处在0.73级的程度，连一级都还没达到。

流浪地球因为能利用重核聚变推动整个地球了，那是达到一级文明的状态。

怎么算呢？我们现在利用的总能量是可以计算的，以电力来衡量是2×10^13瓦，距离一级文明1.74×10^17瓦还差4个0，一万倍左右。也就是说我们现在产出的能量再扩大一万倍就能达到一型文明。

这得到什么时候能达到呢？

戴森做了计算，大约200年后可以达到一型文明。但是如果科技实现重大突破，这个速度还能加快。

要达到二型文明，这个卡尔达舍夫做了估计，他计算的结果是3200年之后。这个速度要想加快就得靠已经达到二型文明的外星人。

达到一级文明，那我们在地球上就已经无所不能。什么火山爆发，什么海啸，什么地震，飓风，我们都能有办法控制，可以随便的改变气候，创造我们自己喜欢的任何生存环境。

二级文明：可充分利用恒星所具有的能量，并将太阳系完全纳入操控之下。可以在太阳系内的各个行星上自由居住、穿梭，不担心能源问题。恒星上散发出的能量无穷无尽，我们已经会高效利用，社会已经高度发达，发展也是高加速。

如果一个文明到了第二类型，那么就几乎是无可摧毁的了。至少人类现知的一切自然、人为的手段，都无法触及我们一根毫毛。即使是在附近出现了超新星爆发，也不能让我们灭亡。

我们有能力转移到其他恒星，远离爆发的恒星，或者干脆将爆发的能量利用起来。高度发达的社会下，我们自己当然也不会做出核攻击这种自我灭亡的举动。

三级文明：已经不局限于太阳系，而是可以自由控制整个星系，利用星系内所有恒星的能量。这类文明已经超出了我们的想象，我们只能猜测他们的生存方式。还用不用身体了？是神一样的气态生存？意识是不是以电波形式存在？

未来的可能非常多，需要我们大胆的想象。