Cr4wler
2020-07-24T08:40:01+00:00
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如果外星文明存在的话，它们早就应该出现了(If they existed, They’d be here)。”费米佯谬是一个简单的命题，它的逆否命题是：“既然外星文明至今未出现，那说明它们不存在。”
让我们先跳出存在与不存在的怪圈，暂时遗忘所谓的“黑暗森林”假说的担忧，来进行一下纯粹理智的演络。
根据萨根的定义，在一个局部区域，如果通过一个由能量流驱动的反应循环，区域内的有序性不断提高(熵值不断降低，也就是指系统无序、混乱程度降低)，这个区域就被认为是有生命的。
让我们来开动脑洞，想象一下各种形态的生命：
有生命当然不等于是外星人，甚至外星人可以是无生命的(如例1)。
例1：超级外星人设想将一个星系甚至整个宇宙看作一个智慧体。不要认为可笑。或许太阳只是构成这个超级生物的一个原子。
假设1.1：外星人生活在暗物质或暗能量环境，因为我们对这两样东西实在不了解，实在难以更多想象。不过，物质世界与这两个世界的相互作用实在太小。就是存在这样的外星人，也绝不会对我们的地球有兴趣。中子星和黑洞中可能的生物也面临同样的尴尬。可以参考的就只有行星或卫星了。关于行星或卫星上的生命，我有如下猜想
假设1.2：硅基生物。想象一堆天然凝结硅晶体，含有杂质。这些晶体偶然的凝结成各种结构：能将光转换成电，又能又电生产硅。
我们来开动脑洞，想象一下各种形态的生命，为了便于分类，不妨将各种想象中的“生命”按照与人类类似的程度分级：
S级：
超越人类逻辑的生命，最有代表性的就是“无所不能的上帝”，显然，一个无所不能的存在是违背逻辑的，通过简单的逻辑假设就能证明“无所不能”不存在：祂能创造一块自己举不起来的石头吗？祂能创造出比自己能力更大的的生命吗？
显然S级要么不存在，要么超越了我们的逻辑以至于我们无法理解——假如是后者，那么无所不能的祂能让愚蠢如我们理解祂吗？
由于S级是如此的超乎想象，我们的任何讨论也就失去了意义。
A级：
符合逻辑，也就是符合数学的，但是超越物理层面的生命。由于探索技术的有限，人类的物理知识被锁死在一定的范围内：我们无法知道大爆炸“暴胀”阶段以前的宇宙是什么样的：是否存在比强相互作用力更强的相互作用力？密度比普朗克密度更大的环境下引力场是怎样的？已知的维度(无论是3个维度还是11个维度)以外是否存在更高的，但是不会干涉已知维度的维度？超光速的快子是否存在(我个人比较倾向暗能量就是快子)？
我们能想象到的A级生命的猜想包括：暴胀场生命、快子生命、不同物理参数的宇宙的生命。无论哪一种生命，其生存环境都是不与我们的世界发生互相干预的(因为如果发生了互相干预，必然会有干预的痕迹)。比如暴胀场生命，其生活的暴胀场环境在大爆炸后10−32秒衰变成近乎均匀的夸克、玻色子、轻子。在这以前发生的“故事”无法被我们探测到，也不对我们产生任何影响(即使存在影响，我们也无法知道这是生物遗留的影响)。再比如快子生命，构成其“躯体”快子具有几乎无穷大的速度。在相对论效应的作用下，一枚快子会在瞬间运动遍布整个宇宙，但是不会对我们生活的物质世界中的物质产生任何影响。
最极端的，假如我们的世界是一个缸中之脑想象的世界，那么，缸的外面可能还应该有一个符合逻辑的世界。当然，缸外面的世界也可能是超越逻辑的，也就是S级：或许我们证明“无所不能”的逻辑方法本来就是缸外面的世界设计的一条代码而已。
B级：
和我们统一宇宙的生命，其生命体由已知的物质(已知物质包括暗物质但不包括暗能量)构成，并且在三维空间存在形体。
显然，“费米佯谬”中提到的外星文明至少应该属于这一级别或者更低的级别(S,A级的即使降临地球人类也不可能发现)。
我们对物质的了解已经足够高了，完全可以尝试遍历所有的B级生命形式：
1：B级生命躯体的大小。物质的运动速度和以任何方式传递信息的速度是不能超过光速的，显然，越大的生命躯体成长的速度也就越慢，假如星系是宇宙海洋中类似细菌的生物，那么一亿年才是它的一个生命周期(地球一般细菌约20～30min便分裂一次，即为一代)，想象一下地球细菌用了几十亿年才进化成人类，等这些大家伙进化出智慧至少要亿亿年——宇宙早可能早就被暗能量变成一无所有的真空了。
2：B级生命躯体的构成。人类的躯体由原子构成，原子间由本质为电磁力的原子间作用力结合。电子和原子核构成原子，人体的一切生命活动都在电子和原子核级别发生(地球人的线粒体不具备核反应获得能量的能力)。
以下内容比较枯燥，不愿意看的请跳过斜体字直接看结论，如果对我的结论有怀疑，再慢慢的审核斜体字部分，我本身理论物理知识有限，也欢迎大家指出错误
在宇宙暴胀结束以后，相互作用力只有4种：是万有引力、电磁相互作用力、强相互作用力和弱相互作用力(暴胀结束以前可能存在其他的相互作用力，但是那属于A级的生命了)。所以构成B级生命的最小单位必须由其中的一种或几种力互相结合，结合强度足以保证最小单位不会随机的脱离。唯有如此，才能保证生物体结构稳定，从而保证其低熵的状态。如果构成生物体的基本单位可以与靠近的基本单位自由交换位置，那么生物体不不能维持低熵的。
对于人体，基本单位是原子，化学键保证了部分原子不能自由移动。最主要的是的碳-碳、碳-氧、碳-氮原子链中的碳氮氧。
如果这种力是万有引力，万有引力只有在星际等级才有足够的强度，那么构成“万有引力”生物的“原子”就是星球。由于大小的限制，星际级大小的生命不可能创造出文明。此外引力不能屏蔽只能叠加也是一个问题(为什么不能屏蔽的相互作用力不能维持低熵结构？这是一个问题)
如果这种力是强相互作用力，强相互作用力的距离大约在 10-15 m 范围内，那么构成该什么的最小单位必须被强相互作用力束缚在10-15 m 范围内才能保证生命的结构不会解体——强相互作用力不足以要把粒子约束在10-15 m的三维势井中。同理，弱相互作用力也不行。
这样一来，就只剩下电磁相互作用力一个选择。
传递电磁相互作用力必须有正负两种电荷，且其中一方必然是电子或正电子(否则就会发生衰变或湮灭)且不能两方同时是电子和正电子(否则还是就会湮灭)。也就是说，构成生命的最小单位至少是包含电子或正电子的。带电荷的基本粒子粒子只有电子、正电子和夸克。μ子夸克由于夸克禁闭至少要两个结合在一起。双夸克的带电粒子带电荷的粒子：电子、μ子、τ子 、六中夸克(及其反粒子)。其中电子、μ子、τ子不参与强相互作用力所以不可能聚集成团。夸克正好相反，想单独存在都不行，至少2人一组。μ子、τ子和两人一组的夸克都不稳定，半衰期最长的μ子才2.2微秒。所以构成B级生命的只能是电子、两个及以上夸克结合成的粒子以及两个及以上夸克结合成的粒子结合成的粒子(及其反粒子)——是不是有点绕口。
别担心，“两个以上夸克结合成的粒子”中，三个夸克组成的粒子叫重子，其中半衰期大于一秒且稳定的只有质子和反质子。所以构成B级生命的级别结构只有“电子-质子”和“正电子-反质子”两种结构。两种结构在不涉及弱相互作用力的情况下完全对称，根据观察宇宙中“电子-质子”占据主导，显然如果出现生命“电子-质子”结构是唯一的可能。电子和正电子不参与强相互作用力无法聚集成小于10-12 m的结构，只有质子可以在强相互作用力的作用下和中子聚集。最轻的重子是质子中子，越重的重子越不稳定，超过重子2的中子寿命相对于生物已经不可接受了(其寿命最长也是10^(-10)秒数量级)。更多的夸克结合体的还没发现，即使发现了，至少其质量一定大于质子。 “两个以上夸克结合成的粒子结合成的粒子”已知的只有一种，就是原子核。
如果存在质量介于电子和质子之间的稳定粒子，则其熵值必然极低。大爆炸过程中必然大量产生这种粒子， 1GeV能量以上的粒子对撞实验也必然很容易可以产生出这种粒子。事实上大爆炸产生的稳定粒子只有电子质子中微子和中子(通过与质子结合变得稳定)。由于可观测宇宙(半径91 × 109光年)是均匀的，这一结果是可以推广到整个视界内宇宙(半径91 × 109光年)的。
对于大于中子质量的基本粒子，尚不能确定其都是不稳定的(三个夸克组成的超子寿命都小于10^(-8)秒，而更多夸克组成的粒子目前的研究还很有限)。然而由于大爆炸并没有制造出大量的此类粒子，此类粒子即使存在也只能由夸克星等高能天体制造出来。而夸克星是不能存在生命的(前文所述，生命的躯体要保持三维结构就必须有相互作用力能够把构成基本粒子束缚在小于基本粒子间距的范围内，夸克星的密度高温度高，其基本粒子距离小而能量高，任何基本力都无法完成这一束缚)
这样一来，构成B级生命的只能是“电荷量是质子整数倍且质量电荷比大于等于质子的一坨夸克”和(正)电子。
综上，B级生命唯一可能的构成就是“质子或含质子的粒子团-电子”。
这里说明一下，量子色动力学和量子味动力学作为描述基本相互作用力的物理理论，虽然细节上还有很多争议(比如超出标准模型的粒子)，但是在理论物理界是大家都接受的。
即使这两者力学理论存在问题，
由于我不是专门学基本粒子的，对B级生命的讨论可能有所错误和疏漏，然而在可观测宇宙，大部分的物质是以质子、中子、电子(包括三者的某些形式的聚合)和暗物质形态存在的，由于弱力不能构成生物，所以非原子形态的生物即使理论上可行，也是缺乏物质基础的，唯一可能例外的情况就是夸克星(中子星是否会演变成夸克星尚有争议)，欢迎懂基本粒子和色动力学的朋友对B级生物进行补充。
C级：
和我们同一个元素周期表构成的生命。
对B级生命的讨论得出结论，生命只能是“质子、中子、电子(包括三者的某些形式的聚合)”，——也就是原子或者叫化学元素。
周期表里的元素和同位素就那么多，不在同位素列表中的同位素即使存在也大多是半衰期极短的同位素。超铀元素稳定岛即使存在较稳定的元素，其半衰期也不可能超过万年(或许是秒级别的)，显然，生命不能指望稳定岛上的元素，而除了稳定岛，宇宙再不可能制造出周期表外的稳定元素了。
让我们把目光聚焦到周期表上的百余个元素。
生物需要结构、能量、溶剂
结构
前面说过，所以构成生命的最小单位必须由其中的一种或几种力互相结合，结合强度足以保证最小单位不会随机的脱离。对于周期表元素构成的生物，结合力就是原子间作用力和分子间作用力(本质上都是电磁力)，而最小单位则是原子，而等离子体由于不能固定构成其本身的物质，是不能构成生命的。
也就是说，构成生物的原子必须结合的足够“强”以至于这些原子不会被热运动变成随机位置。
最理想的“结构原子”就是碳，碳碳键钉住的原子是宇宙中位置最稳定的原子，金刚石的硬度是已知最大的。(锇的硬度可能超过金刚石，然而锇在宇宙的任何地方都是稀有的)，其他候选的原子包括：碳、氮、过度金属、铍、硼、铝、硅、硫、磷等等。
但是有几点是明确的：氢不能成为结合原子(只有一个配位键)，氧硫不能单独成为结合原子。
能量
生物除了结构原子还需要能量，地球生物圈主要的能量循环是以碳水化合物最为承载的。
在光合作用过程，光能电离水产生游离氢，还有部分能量传递给ATP，然后ATP的能量辅助下游离氢与二氧化碳结合成碳水化合物，有氧呼吸则几乎是反过程：碳水化合物释放少量能够产生氢原子，氢原子氧化产生大量能量。
熟悉燃料电池的朋友会发现其实线粒体就是最好的燃料电池。
溶剂
燃料电池除了燃料还必须有电解质，事实上由于生物不能是等离子体或高温体(结构原子的结合强度决定)，化学反应不可能在高温气相下进行。熟悉冶金和化工的知道，化学反应无非是火法或者湿法，火法不行则只能选湿法。所以生物离不开液体溶剂。
做电池电解质设计的知道，液体溶剂要支持高能反应，本身必须是足够稳定的，如果本身电离电压只有。0.5V，那么就无法承受超过0.5V的电化学过程。同理，生物体选择的溶剂决定了生物获取和储存能量的上限。
宇宙中常见的中低温液体：水、液态氢、液态甲烷、液态氨、液态氮、液态氧、液态二氧化碳、液态硫、四氧化二氮、二氧化硫、浓硫酸以及其中某些的混合物(显然需要不发生化学反应才能混合)
液态氢做不了电解质×，液态氮、液态氧、液态硫、四氧化二氮同理×
液态甲烷、液态氨的电离电压很低，不足0.1V(具体依照温度而定)，也就是说液态甲烷、液态氨为电解质的生物无法进行电化学电压超过0.1V的化过程。
类似的，以水为电解质的地球生物无法把硅、铁、钠、氯、氟这样的元素变成单质。
二氧化硫、浓硫酸的电离电压同样比水低很多(注意浓硫酸的电离是分解成亚硫酸或二氧化硫)，而且在宇宙中比水更加稀少。
让我们回顾前文的结构元素，由于溶剂的限制，无论水电解质生物还是非水电解质生物，都无法把钛、硅、铁等强碳化物形成元素从氧化态变成游离态或碳化、氮化态，如果要存在“硅基、铁基、铝、铍、硼基生物”，就必须存在非氧化态的硅、铁等供其吸收(并没有)，然而这些元素的游离态是不能与电解质天然长期共存的。比如硅，含有液态水的环境是不可能天然含有游离硅的。而要把二氧化硅转换成游离硅，又不可能在水环境下进行。
好了，结构元素只剩碳、氮、硫、磷了，氮氮键、氮氧键、氮硫键都不稳定，氮还剩离不开碳作为生物结构，目测只剩磷硫了。
磷硫和碳一样，属于和谁都能结合，和自己也能结合的原子，然而磷硫无论和什么结合，形成的化学键都很“弱”(想象一下白磷的硬度和金刚石的硬度)，由它们作为结构原子的生物(如果存在)将会脆弱的令人发指。
综上，碳基-水电解质生物实际上已经是B级生物的最优解，其次是碳基-氨电解质生物，再次是磷硫基——周期表就这么大，并无其他解。
关于超级硅基生物假说：很多人疑问，你说硅/金属基生物不可能存在，那你是什么？这就需要所谓超级硅基生物假说，超级硅基生物，允许高温气体作为生物构成，所以不再苛求电解质，为了避免高温气体打乱自身原子排列，超级硅基生物存在隔热结构，然而超级硅基生物是无法自然进化产生的(大型有序结构不能进化产生，这里的有序是量子态级别的有序)，一般认为，全人类的工业体系构成一个“准超级硅基生物”(因为工业还需要人力和木头等碳基生物)，理想的超级硅基生物是否存在尚不确定，我个人认为，即使存在超级硅基生物，也是要依赖碳基构件的。
D级
碳基-水电解质生物。
以地球生物为代表的，碳基-水电解质生物(下文简称碳水生物)，可能具有的结构太多，我们不一一论述，然而我们仍然能够估计碳水生物对环境的要求。
通常认为，碳水生物必须形成膜结构，即疏水-亲水分子在水环境下排列成的具有流动性的膜，必须存在遗传物质(请大家开动脑洞构思非膜结构或者无遗传物质的细胞，我已经老了 o(︶︿︶)o)
水，必须是液态水，常压下0~100℃。即使加高压保持液态，如果温度超过100℃，高温会使氢键断裂，破坏膜结构破坏。而智慧生物，对高温的耐受是更差的，因为高温产生的破话即使概率很低，在复杂系统(脑)中也是严重的。事实上，地球人的37℃体温并不完全是适合环境的结果，在热带，保持39℃的体温才是最节省成本的(人体散热的结构比保温的结构发达的多)，然而人体(脑部)的温度却最终进化在37℃。事实上即使是有机膜结构的燃料电池，在80℃以上也会迅速损坏。我们有理由相信碳水生物是很难很难适应80℃以上的环境的(某些简单细菌能在更高的温度下生存，然而他们都是极其简单的，比如海底火山口的化能细菌)，越复杂的碳水生物，耐受炎热的能力越差。
生物要获取能量。化学能：地球上存在化能自氧菌(最初的生物也可能是此类)，但是，稳定的、大量化学能供给是不可能存在的(高能则不稳定)，所以单纯化学能基础不可能支撑起复杂的生物圈系统。原子能：引发原子能所需的能量超过了电解质(水)的电解电压(原子能通常需要MeV级别的能量，水才1.2V)，完全没有可能。热能：热能必须存在温差才能吸收效率极限(η<1-T2/T1)，然而如果生物是μm级别的(最初的生物就真么大，复杂生物的线粒体和叶绿体也如此)，它所处环境的温差小到忽略不计，所以热能无法被简单生物利用，能量的利用是从简单生物开始的(线粒体和叶绿体可能曾是单独的生物)，简单生物无法利用热能，复杂生物也无法进化出热能利用系统。电能：天然电能(闪电)太狂暴不予考虑。
只剩下光能和机械能(风潮汐等)了。
恕我想象力不足，无法现象出风力细菌，所以只对光能进行考虑。
光能的利用率，具体见该词条：[url]https://www.zhihu.com/question/265494436[/url]
由于二氧化碳和氧是气体的，所以复杂生物必须有一个大气环境(即使是海洋溶解氧和二氧化碳至少也需要气压)
D级需要的星球
由于我们讨论的是费米佯谬，永远只是几个细菌的化能生物圈不予考虑，所以这颗行星温度0~100℃(至少某些区域常年处于5~60℃供智慧生物生存，较热的星球智慧生物生活在极低，但是由于极低少光且辐射强烈，其智慧生物的进化将比人类更加困难)，光线充足，表面富含碳氢氧，听起来不稀奇？
作为临近的恒星，如果超过1.5太阳质量，寿命不足20亿年，不予考虑，质量小于0.5太阳质量，则光线暗淡。其亮度远远小于太阳，如果行星要获得足够的表面温度，就必须很近———然后自转就会被潮汐作用锁死，一天等于一年，环境太过恶劣。
行星本身要有足够的引力和磁场阻止大气的逃逸，通常认为这需要一个熔融的铁地核。最后如果外星人想发展工业，那么他们的星球至少需要有煤或者石油——这需要板块运动和大量的生物遗骸。
这些条件都满足了，130亿年已经过去了。。。。。。
有人提出，如果恐龙进化出文明，那么地球是否可以早一亿年进入工业文明呢？这是可能的。虽然恐龙时代没有煤炭，但是石油是有的(应该也必将少)，智慧恐龙发明水车后直接发现电磁感应，进入电气时代。煤炭的恐龙只能用木炭冶金，发展的会慢一点，不过几万年走完工业革命还真有可能，说不定还比人类走的更远。毕竟没有得“化石燃料依赖症”。
科技天花板是我一直以来不愿提及甚至不愿想起的一个话题，因为这个话题实在太过让人绝望。不过在这里，我还是决定把我所知道的事实分享给大家，其中有些领域还有一线“希望”欢迎专业人士补充把希望也堵死。
科技天花板假说认为，科技发展到极致，将永远无法提高。
说科技，躲不开能源。
水力风力潮汐力就不用说了，总共就那么多，水力风力本质上不过是太阳能的此生能源。关键还是在于太阳能和原子能(潮汐力来自地球自转的能量)。太阳能技术日趋完善，不过太阳能毕竟比较分散，以目前人类的耗能量级，完全太阳能化是可能的，如果增加几个数量级，则无法满足。另外，当人类掌握了地球的所有表面以后，太阳能和农作物将形成竞争关系。至于太空太阳能板，因为收运输条件的限制，经济化的可能性不大——但也存在可能。
核能，难度由低到高可以分几个级别：慢堆裂变，快堆或其他高效裂变，氘氚聚变，氘氘聚变，氘氦3聚变，氕核聚变，铁化聚变，质能转化。
核裂变早已实现，。慢堆裂变，燃烧U235和少量的U238(地壳铀丰度2.7 ppm，其中U235只占天然铀0.7%)。快堆或其他高效裂变，可以燃烧大部分的U238甚至钍。氘氚聚变，消耗氘(海水中含量十万分之三，即30ppm)，锂6(吸收中子用于产生氚，地壳锂丰度20 ppm，其中锂6占7.5%)和铍(用于中子增值，地壳丰度2.8 ppm)。氘氘聚变，无需消耗锂和铍。氕核聚变，真正太阳中心的核聚变，以宇宙中最多的同位素氢作为燃料。铁化聚变，大质量恒星中的核聚变。将轻的核素如碳，氧，硅聚变成铁。铁和是核子能量最低的结合。将元素铁化，就是彻底榨干原子核的能力。质能转化已经不是原子能的范围，不过暂且放在此处。
核裂变早已实现，快堆因为废料问题没有推广。可以看到，裂变的原料还是比较充足的。由于铀是重元素，越往地球深层含量越高，铀在酸性火成岩中的丰度值为3.5～4.8 ppm，基本反映了铀在上地幔中的丰度，而锂6和铍的丰度则越往地下越低。单从原料丰富的的角度看，氘氚聚变相对于快堆并不具有优势。(这里提一句，目前氘氚聚变已经可以在热核聚变反应堆中实现，但是产出仍然小于投入，也就是说反应堆发的电比维持反应堆需要的点少)
氘氘聚变，1升海水中含有0.03克氘(30ppm)。这0.03克氘聚变时释放出采的-能量等于300升汽油燃烧的能量，因此，人们用1升海水=300升汽油这样的等式来形容海洋中核聚变燃料储藏的丰富。而且，氘的提取方法简便，成本较低，核聚变堆的运行也是十分安全的。因此，以海水中的氘、氚的核聚变能解决人类未来的能源需要'将展示出最好的前景
——事实上以上这些，目前还是人们的幻想。氘氘聚变以及氘氦3聚变需要的温度远远高于氘氚聚变。但从理论角度，不能证明其不可行。唯一遗憾的事，无论是氘还是氦3在地球和宇宙中的丰度都是极低的，事实上，越是易于聚变的材料，在宇宙中往往越是稀有(因为更容易被恒星烧掉)。考虑到海水只存在于地壳表面的“薄薄一层”，实际上在地球上氘也是比铀更稀有的。至于氦3，丰度比氘更低，聚变难度比氘更高。
氕核聚变，四个氕核聚变成一个氦核，也就是太阳核心发生的核反应。遗憾的是在地球压强下，氕聚变产生的能量不足以引发氕聚变。也就是说，在地球上要把氕加热和压缩到可以聚变的程度，需要的能量比聚变本身产生的能量还高，而且是高很多，即使能量后续大部分被回收，仍然难以维持产出大于投入。同理，铁化聚变也不可能实现产出大于投入。
理论上一千块物质完全能力化为89,876,000,000 MJ。正反物质湮灭就是这样的。而反物质的制造则是反过来的过程。即89,876,000,000 MJ的能量转化出0,5kg的物质和反物质。当然这是理论转化。实际上转化率不足万亿分之一。要将反物质作为能源是不可能的，等于说用电电离水，然后用氢燃烧发电。区别是电离水的能量转换率高达90%。
关于黑洞引擎
氕核聚变投入小于产出的情况，是以使用电磁相互作用力作为加压力为前提的(这里的电磁相互作用力是广义的电磁相互作用力，包括磁约束和固体直接接触等等)。所以太阳能够实现氕核聚变，正是因为太阳利用万有引力压缩氢。那么，人类是否可以实现这一点呢？以地球的引力强度，显然是无法实现这一点的。
但是有一个方案至少在理论上，可以实现大引力——那就是黑洞引擎。
在所有的科幻能源中，黑洞引擎是唯一勉强符合已知物理法则的未来能源。迷你黑洞不断发出霍金辐射，只要不断向迷你黑洞补充质量，就可以维持其质量不变。考虑到迷你黑洞周围巨大的光压力，迷你黑洞同样可以作为氕核聚变乃至更重的核聚变的引力约束环境。
该系统目前的问题有两个，一是霍金辐射尚未被证实，二是制造黑洞需要的能量太过巨大。由于黑洞越小霍金辐射越强，太小的黑洞还没来得及吸入物质，就已经“蒸发”消失。所以必须一次性制造出一个足够大质量的黑洞。
说完能源说材料。
最基本的，结构材料。结构材料的强度来自于原子间共用电子所产生的原子间作用力。当两个原子通过这样的方式“粘”在一起，我们称两者之间产生了一个“键”。我们希望键的强度越大约好，每个原子伸出的键越多越好。
要在空间中锁定一个原子的位置，至少需要四根化学键，也就是说组成材料的原子配位数至少是四。而到目前为止，材料科学家已经尝试了元素周期表上的元素所能形成的所以的“键”，也就是说，任何两者原子间的链接强度都已经被考证过了。遗憾的是，最理想的，仍然是最原始的元素——碳。
每个碳伸出四个“键”，而碳-碳键的强度很高——在所有的原子里面，配位数大于或等于四的，最强的就是碳-碳键了。所以金刚石是世界上最硬的材料，石墨烯是世界上强度最高的材料——过去是，现在是，将来也一定是(不知道硬度和强度的区别？简单的讲硬度是衡量材料耐压的能力，而强度是耐拉的能力)。乐天派可能说了，石墨烯的强度是钢的一百倍啊，材料天花板还很远啊。首先，纠正一下，材料科学家的原话是“石墨烯的理论强度是钢的100倍”。什么叫“理论强度”？理论上，人的寿命都可以达到150岁：理论上，一千块物质完全能力化为89,876,000,000 MJ：理论上，植物把1%的太阳能转化成化学能，一亩可以产十万斤粮食……所谓理论上其实就是理论家画出的天花板，而在这一天花板的下面，还有另一层天花板，叫做实现。目前，超高强度钢AerMet100的强度是2GPa(F22的起落架就是AerMet100的)。强度更高的钢不是没有，但是脆性太大。而石墨烯的理论强度可以达到200GPa。不过，作为一个材料工程师，我可以告诉大家，钢铁的理论强度是20GPa，而且铁晶体是立体的，可以承受三个方向的力(石墨烯只能承受两个方向的力)而实际上AerMet100差不多已经是我们的极限了。30年来，还没人合成出脆性不增加而强度超过AerMet100的钢材。美国人财大气粗资源丰富搞合金钢，日本人只能研究碳纤维了，东丽的T1000强度7 GPa，是目前强度最高的一维宏观材料。为什么F22的起落架不用碳纤维呢？就在这个一维上面。碳纤维说白了就是一根线，只能承受拉力，要承受其他方向的力？可以啊，缠绕打卷，用线织成布。这样一弄，强度还不如超高强度钢，好在碳纤维轻啊，做不了起落架可以做飞机翅膀。碳纤维的微观结构主要就是石墨烯，也就说说，理论强度20的钢铁，现在实际强度2，差不多到顶了.理论强度最大的材料石墨烯，目前各种方法计算出的理论强度中最大的为180GPa, [[url]https://wenku.baidu.com/view/49b7cf52be23482fb4da4c72.html[/url]]
目前实际强度7 GPa，如果继续研发，估计可以达到20甚至50 GPa，相对应的三向强度大约是5~12 GPa，即在现有材料的基础上增加5至10倍，很难再高。
实际强度要达到理论强度的四分之一，容忍的缺陷只有大约2个原子，常温的热运动和自然本底辐射就足以产生这样的缺陷。如果保留在超高空和太空的高辐射环境下，缺陷还会进一步增大，使得实践强度降低到理论值的十分之一。
综上，未来材料，硬度极限为金刚石，纳米晶或者叫准晶金刚石的硬度略好用晶体金刚石，这已经是硬度极限了。材料宏观强度极限大约可以达到当前的2至5倍(常温)。一维宏观材料可以达到20 Gpa，50 Gpa强度的纤维将是十分脆弱的，自然环境的本底辐射可能就会将其破坏。三维材料的宏观强度大约可以达到10Gpa，并且会很脆。耐热极限是由原子间作用力决定的，在电磁相互作用力不发生变化的前提下，不会变化。仍然是3000℃~4000℃。
特例说明：使用第一性原理，通过内聚能计算“键”强是最科学的方法。遗憾的是由于量子力学和相关数学工具还不够完善，我们还不能用理论计算反方法准确的计算内聚能。实验测得内聚能然后计算相应的强度和硬度也是一种思路。有文献显示锇的某些化合物可能具有更高的硬度和强度。但是由于地壳中锇极其稀有，所有目前还没有准确的内聚能实验数据。
此外，考虑到纳米晶金刚石的硬度超过晶体金刚石，使用氮、硼、钛、锇取代部分晶界碳原子，可能形成比纳米晶金刚石硬度高出几个百分点的材料。但是这种以缺陷和孪晶增加硬度的原理，不适用于增加拉伸强度。
关于“非化学键结合材料”的说明：
很多人提到“使用其他力约束物质实现高强度材料或者类似功能”的问题。我的文章对“费米佯谬”的纯理智分析对B级生物的分析中讲到，“构成B级生命的最小单位必须由其中的一种或几种力互相结合，结合强度足以保证最小单位不会随机的脱离。”对应材料类似有：
构成结构材料的物质的最小单元，必须在某一种或几种相互作用力的约束下，不能自由移动。现有材料的最小单位是原子，原子被电磁力“钉”在固定的位置上。
最小单元是具有能量的，一般温度越高，能量越高，被限制的位置范围越小，能量越高(量子势井效应)。如果最小单元具有的能量足以使其轻易的离开固定的位置，那么这个材料就是没有固定形态的流体。以中子星的中子层(中子星的中子层不是表层)为例，中子受到的强相互作用力虽然很大，但是不足以将其限制在尺度相当大中子间距的势井中。所以中子在中子星的中子层内可以自由流动。简单的说所谓中子态是流体，而且常压会蒸发，其机械强度和硬度为零。
已知的四种相互作用力中，引力不能屏蔽，只会把任何物质摊成球形，不予考虑。强力的作用通常情况下距离太短(为什么是通常呢？因为强力作用距离本身不短，但是夸克禁闭导致强力传递不远)，而根据量子力学的势井模型，要把粒子约束在越小的范围内，需要的能力就越高，而这个范围是不能大于力的传递距离的。所以强力无法“钉”住传递强力的粒子(强力钉不住强子，但是似乎可以钉住夸克，但是多夸克体似乎总是不稳定，色动力学这一块我也不是太懂，希望牛人补充)，弱相互作用力同样如此。所以说，即使不考了中子衰变的问题，中子星也是一团流体，根本谈不上强度。
转了一圈还是回到电磁力。
关于戴维球的说明
戴维球——设想中包围恒星获取能源的方案，具体有很多变种，比如戴维环等。戴维环的问题在于，太阳风和X射线高能紫外线对材料的轰击造成材料的老化。所以戴维球的寿命是有限的，我毕竟担心其发射和制造耗能比周期内的发电还多——涉及的参数太多，暂时还没有严格计算。
细说功能材料
相当于已经触顶的结构材料，功能材料多少还有一定的发展空间。介质到本文撰稿(2018年)，主流先进的芯片工艺为线宽12nm，接近极限，但是还没有完全触顶。未来可以达到6nm量级，如果继续减小，量子隧道效应就会毁掉一切。单晶硅仍然是目前主流的半导体材料，而未来以碳为骨架的功能材料很可能成为主流：石墨烯在特点方向上的导电能力超过银铜，而金刚石的高绝缘高导热性使其可以作为理想的绝缘材料。笔者还没有看到文献在理论上证明常温超导不可实现。然而存在可长期使用室温超导材料的可能性真的很低：即使未来成功合成了室温超导材料，其寿命也令人担忧——让我们做个简单的推理：假设存在室温超导材料X，既然在室温下使用，材料结构不可避免的犹豫热运动和辐射不断产生缺陷。如果X材料的结构本身处于严重的非稳态，那么这些缺陷就会不对积累导致材料结构转变。X材料几乎不可能是常温稳态材料(否则早就自然产生了)，那么是否可能是类型金刚石、斯石英或者渗碳体这样常温比较稳定的非稳态材料呢？也不太可能。这些非稳态晶体之所以能在室温下保持长时间的稳定，原因在于其高强度的晶格、较低的转变自由能和较简单的结构。而具有高强度晶格的简单原子结构并不是无限多的。事实上固体物理学已经遍历了其中很大一部分。可以预见，按照目前的研发速度，到21世纪末就足以遍历所有的结果了。如果到时候我们还没有找到室温温度的X材料，那么石墨烯就是室温导线的导电极限。
另外，导电材料的上限实际上决定了人类制造宏观磁场能力的上限，而后者又是人类制造宏观非接触力场的上限。比如热核反应堆需要的磁约束、磁悬浮列车、电磁炮、等离子推进器等，都被导线技术锁定了上限。
截止到本文撰稿(2018年)，主流先进的芯片工艺为线宽12nm，有报道称实验室中实现了1nm级的线宽，使用的是碳纳米管导电MoS2作为绝缘层。
能源材料说完了说具体的工程技术。
航天技术
太空采矿也好，太空移民也好，首先得有航天技术对不！要把飞船送上太空，至少要达到第一宇宙速度 v1=7.9 公里/秒，你要是上个月球啊火星啊什么的，则需要第二宇宙速度为 11.2 千米/秒(上月球需要的速度比第二宇宙速度小一点点)，要是飞出太阳系，那就需要第三宇宙速度v3=16.7 公里/秒。怎么才能飞这么快？无非三个办法，被扔上去(比如电磁弹射)，或者自己飞上去，或者扔一段飞一段。(要飞出太阳系，还可以借助行星的引力加速，就像旅行者所做的那样，不过行星提供的速度是十分有限的，而且要借助行星的引力加速，需要很长的“绕”很多的路，)现在的航天技术基本上都是“自己飞”。自己飞就需要一个重要的东西：工质。根据动量守恒，你自己要往前加速，就要往后“喷”点什么。根据动量公式：
p= mv
可知，要获得单位大小的推力，工质喷射的速度越快，消耗的工质越少。但是根据动能公式：
E=1/2 mv^2。
前者的v是一次，后者是二次，所以要获得同样多的推力，工质喷射速度越快，消耗的能量越多。两个极端的情况，一是工质质量取无穷大，则最节省能量。也就是用大地作为工质(地球的质量相对于航天器极大)用电磁弹射或者太空绳梯发射航天器；二是速度取极大，也就是光速，即航天器先后发光，利用光反冲前进；介于两者之间的，包括现有的化学火箭发动机、更节省工质但是更消耗能量的等离子推进器。
前文所述，结构材料的性能已经被锁死，太空绳梯就不要想了，电磁弹射目前还没有发现硬性的限制因素，唯一的问题是高昂的设备成本。前文所述，人类能利用的能源是有限的，而已可利用能源的利用成本正在也必将不断增加，而电磁弹射项目的建造是需要消耗大量能量和物质资源的，人类能否在能源耗尽之前建成用于发生卫星的电磁弹射装置，目前还是个问号。
化学火箭的性能已经接近极限(具体见后文储能技术)，等离子推进器可以更节省工质，被视为远距离宇宙旅行的优选方案。等离子推进器需要巨大的能量供应，在离太阳较近的情况下，可以考虑太阳能，而一旦原理太阳，就只能选择原子能，也就遇到前文能源天花板的问题而等离子推进器的功率又受前文所说的导电材料限制。，
储能技术
从手机到汽车到航空航天，储能都是必须的技术。太阳能可以为卫星提供通信所需的电能，也有纯太阳能的飞机，然而太阳能的分散性和环境敏感性决定了它不可能适用于汽车、手机这样的生活用品，所以储能技术是与生活息息相关的一项技术。
对于四种基本的相互作用力。引力的强度太弱，除非形成黑洞，否则其储能应用不予考虑(这里指的是移动设备的储能，固定设备例如发电站使用引力储能不予讨论)，黑洞的部分在本文黑洞引擎的部分详细讨论。
强、弱相互作用力作用距离极短，其参与的过程全部都是核反应和基本粒子反应的形式。在此仅以核反应为例说明。
小型核能系统是否可行。可发生的核反应太多(虽然大部分是吸收能力的，也就是负产出)，没办法像化学反应那样穷举。然而，中微子、电子和光子引发核反应的概率太低(其波长相对于原子核太长)，不可能作为核反应链的传递部分。所以要让原子核发生反应，就必须有重子“撞”原子核。核反应的能力等级不足以制造其他强子。只能是质子和中子。
质子(或含质子的原子核)“撞”原子核既是聚变——1千万摄氏度的条件是最低的入场券了，小型化不可能。既是约束条件很先进，高温等离子体的辐射也会散失大量的热。小型化的聚变堆一定是负产出的。而且电磁相互作用力能提供的约束方案(除了黑洞，无论是电磁约束还是惯性约束，本质上都要利用电磁力提供约束力，只不过前者是宏观的电磁，后者是原子间作用力产生的机械运动产生的惯性，而原子间作用力也是电磁力)是可以穷举的，前文的材料部分有详细说明，约束系统同样不能小型化。
中子“撞”入原子核——这就是熟悉的裂变了。要维持足够强度的裂变，必须有足够的中子通量。所以裂变堆的外壁需要：中子反射材料、中子减速材料、中子吸收材料。中子反射减速吸收依靠的是原子核，所以寻找这三种材料的过程相对简单——只要遍历所有的元素同位素就可以了。为了制造更小的核弹和卫星/潜艇用反应堆，除了极不稳的的同位素不予考虑，稳定和半衰期较长的同位素欧已经被大国测试过。(数据甚至可以下载)。在不考虑辐射泄露的情况下，目前实现链式裂变的最小质量是10kg(Pu239裸球)，而理论上最小的实现链式裂变的质量是2.73kg(锎-252裸球)，然而质量数超过239的超铀元素成本是极高的，具体的原因我们在关于超铀元素的部分会讲到。而大部分情况下，我们要求反应堆的中子必须被屏蔽，甚至作为中子屏蔽的材料在使用后也要填埋处理。由于中子只与原子核发生作用，且只有吸收、散射(弹性)、非弹性散射、引发裂变几种作用结果。材料的分子或晶体结构是不影响其中子屏蔽能力的。而即使中子屏蔽能力最好的氢、硼、铪也需要吨/平方米数量级的面密度才能将把裂变中子屏蔽到安全的水平。这意味着即使反应堆只有内燃机气缸大小，屏蔽装置也要重达几吨。而由于有中子参与，反应产物必然带有放射性，这意味着反应堆本身不能接触空气，必须封闭，通过热传导输出热量。这意味着，即使不计屏蔽材料，核反应度输出同样功率的情况下，体积和重量也是远远大于化学反应热机(内燃机或燃气轮机)的。
没有重子“撞”原子核过程是否可以输出原子能呢？可以，那就是衰变，然而正因为衰变不需要重子“撞”原子核，所以其速度是不收控制的。利用放射性元素衰变能量的放射性电池即使不放电的情况下，也会不断输出等功率的热量。此外放射性是随时间衰减的，辐射强度对时间满足指数小于1的指数函数，功率越大的电池衰减的放射性电池越快，即便如此，放射性电池仍然是比较理想的手机电池，前提是人类行为的稳定性足以保证此类电池不被损坏或丢弃，实现完全回收。
除了放射性电池，所有的小型化储能系统都只有电磁力参与，即以电磁力将系统固定在非稳态。由于电磁力的强度有限，这种方式储能的能量密度也是存在上限的。
化学储能。单位质量的化学反应，能量最高的是氟-锂反应：
2Li+F2=2 LiF+589J/mol
质量能量密度为：589/20.0= 29.45(MJ/kg)
对于稠密大气层内的化学反应，如果使用空气中氧作为氧化剂，则往往只计算还原剂的质量。此时质量能量密度最大的燃料是氢：
2H2+O2=2 H2O+483.65/mol
质量能量密度为：483.65/4.0= 120.91(MJ/kg)
以上两个反应的能量是按照产物的生产焓计算的，实际上更准确的方法是使用吉布斯自由能或者电位计算，考虑到大功率的化学能-机械能转化过程仍然是以热机为主，所以采用焓计算，用自由能计算的结果与焓的差别也不大，有兴趣的读者可以尝试一下。如果使用的燃料是非稳态的(比如金属氢)，理论上可以产生更高的能量密度，但是非稳态材料的能量越高，越不稳定，比如金属氢，需要大于100GPa的压强才能保持稳定，而且金属氢的自分解是固有的热力学性质，不能通过增加添加剂等方式增加其稳定性，根据前文对材料天花板的论述，维持大于100GPa的压强至少需要10倍于金属氢重量的石墨烯材料容器。
机械储能和电磁储能。飞轮、高压气瓶(高压气瓶仅仅适用于外界恒温环境如地球大气层内，不适用于太空)、高强度弹簧、电容、电感线圈等等结构同样具有储能的效果。
其中，任意形状弹簧储能的天花板是材料的强度和弹性模量：
E弹性/m=0.5δ^2 /λ*ρ 其中δ为材料强度，λ为弹性模量，ρ为材料密度
飞轮储能技术的天花板主义是材料的单向拉伸强度：
E飞轮/m=0.5*ω^2*r^2+ E弹性/m
=0.5δ/ρ+0.5δ^2 /λ*ρ
其中第一项是动能，第二项是飞轮变形产生的弹性势能
理论强度最高的材料石墨烯，目前各种方法计算出的理论强度最大值180GPa,理论弹性模量1T GPa，带入上式：
E/m=0.5δ/ρ+0.5δ^2 /λ*ρ
=0.5*180*10^9/(2.25*10^3)+0.5*180*10^9*180*10^9/(1*10^12) /(2.25*10^3)
=47200000(J/kg)=47.2(MJ/kg)
注意这里引用的是石墨烯的最高理论强度。前文材料天花板这叙述，实际强度难以超过理论强度的四分之一，对应的飞轮质量能量密度只有10(MJ/kg)，这仅考虑了飞轮轮体部分的强度，如果考虑轴承等因素，还会更低。
电容的容量取决于其电解质，电解质的击穿场强和电容量决定了其能量密度。
E/m=0.5*ε*E^2/ρ其中ε为电解质电容率，E为电解质击穿场强，ρ为密度。
共价键晶体的ε差不多，E最大的是金刚石材料，对于金刚石：
E=0.5~1GV/M[[url]http://www.docin.com/p-979875412.html[/url]]
=6~8 ε0
ε0 = 8. 9 × 10^12F/ m, ρ=3.5×10^3kg/ m^3
所有数值取最大值情况下，金刚石电解质电容的能量密度：
E/m=0.5*ε*E^2/ρ=0.5*8*9/10^12*(1*10^9)^2/(3.5*10^3)=1^4(J/kg)=0.01(MJ/kg)
离子电解质电容实际上介于共价共价键晶体电容和化学电池直径，更接近化学电池的离子电解质电容可以获得比金刚石电容更大的电容，但是储能稳定性很低(自发漏电)，而且能量密度不可能超过化学电池。
理论上使用锂合金制造飞轮配合氟氧化剂是能力密度最高的方案。
关于超铀元素
以上关于材料、储能技术的论述都是基于元素周期表现有元素的，98号元素锎(Cf)及其以前的元素都已经被穷举。99~109号元素的半衰期都在一年以内，超铀元素稳定岛即使存在较稳定的元素，其半衰期也不可能超过万年(或许是秒级别的)。
这意味着，无论这些元素及其与其他元素的化合、混合物的固体物理性质如何，都不可能产生稳定的、低缺陷材料。而无论是受力的结构材料还是半导体、导体等功能材料，对缺陷都是十分敏感的。所以这些元素作为结构材料、电子材料的应用没有考虑的必要。
作为化学储能材料，较重元素的能量密度是不可能大于较轻元素的，所以这些元素的化学储能同样不予考虑。
思路总结
不同于理论性严谨的理学论文，本文使用的信息比较杂乱，我没有逐条核实。我也很希望有人能提出质疑，因为对科技天花板的每一次质疑都是给未来的一份希望，但是这质疑应该是有意义的、符合现实的或者说至少是自洽的。
PS：该文内容的适用范围和引用的知识：
由于科技天花板这一结论十分重要，我再次重申一下该文涉及的知识和世界观的可靠性：
第一级知识：逻辑。逻辑演绎是一切思考的基础，如果质疑逻辑演绎本身，那么阅读本文毫无意义。在我的文章：对“费米佯谬”的纯理智分析(1)——生命的起源形式
硅基生物：对“费米佯谬”的纯理智分析(1)——生命的起源形式
中，讲述了S级生物就是超逻辑的。超逻辑下“A正确所以A错误”这样荒谬的内容都是允许的。比如据说超逻辑的上帝先生：上帝可以无所不能，上帝能创造一个自己不知道的秘密吗？能。上帝能知晓一切秘密吗？能。以上两条矛盾吗？矛盾。上帝能让以上两条不矛盾吗？能。
第二级知识：完全可证伪而未被证伪的知识。鉴于某些宗教人士喜欢称自己的教义为科学，为了表示对他们的尊重。这里不把“完全可证伪而未被证伪的知识”称为科学。姑且简单的称为伪知识吧。
这些伪知识包括：相对论两条基本假设、量子力学五条基本假设、描述引力场的爱因斯坦方程、描述电磁场的麦克斯韦方程、以及描述强、弱相互作用力的方程、基本物理常数、以及以上几条的适用范围
——为什么强调适用范围？因为这几条只在可观察宇宙内适用，超过普朗克密度的宇宙中的相互作用、可见宇宙以外的物理常数、不传递比特信息的能量和物质(比如暗能量)的不再这些条范围之内，生命的起源形式一文已经强调，这些条件下的知识无法被我们探测到，也不对我们产生任何影响。
第三级知识：我在查阅到的，但是没有亲自计算的计算结果(比如石墨烯的理论强度)；或者我查阅到但是公布的重复实验较少的实验(比如各种元素的中子截面)；或者一些工程上的、精度不是很高的数据(比如地壳某些元素的丰度)。这些知识我都采用了可能的、对天花板限制最宽松的结果。
第四级知识：以上三种之外，我不经意使用的知识。
如果对第一级知识质疑，也没必要阅读本文了。如果质疑第二级知识，请出门左转各大宗教。
如果第三级知识有误或者我真的使用了第四级知识，请指出。类似于“科学一直在进步所以将来一定会继续进步”、“现在人无法想象未来的技术”这类说法就不必提了，徒增笑料。
如果有人在某一段的推理中质疑我，我希望你具有相应的基础知识。总之，本人的知识博而不专，或许每个人在其擅长的领域都比我精通，所以，如果要质疑我给出的结果，请选择你精通的方面。
比如说你对相对论的可靠性有疑问，觉得相对论不适合作为理论依据，那么你至少应该知道相对论的基本假设是什么；比如你高呼石墨烯的强度是钢铁的百倍，那么至少应该知道什么叫强度。
最后，如果认为本文的逻辑体系存在问题，比如“现在的知识不适用于未来”。那么请等待我关于唯物主义和唯心主义的论文。
[url]https://zhuanlan.zhihu.com/p/37776396[/url]
如果外星文明存在的话，它们早就应该出现了(If they existed, They’d be here)。”费米佯谬是一个简单的命题，它的逆否命题是：“既然外星文明至今未出现，那说明它们不存在。”
让我们先跳出存在与不存在的怪圈，暂时遗忘所谓的“黑暗森林”假说的担忧，来进行一下纯粹理智的演络。
根据萨根的定义，在一个局部区域，如果通过一个由能量流驱动的反应循环，区域内的有序性不断提高(熵值不断降低，也就是指系统无序、混乱程度降低)，这个区域就被认为是有生命的。
让我们来开动脑洞，想象一下各种形态的生命：
有生命当然不等于是外星人，甚至外星人可以是无生命的(如例1)。
例1：超级外星人设想将一个星系甚至整个宇宙看作一个智慧体。不要认为可笑。或许太阳只是构成这个超级生物的一个原子。
假设1.1：外星人生活在暗物质或暗能量环境，因为我们对这两样东西实在不了解，实在难以更多想象。不过，物质世界与这两个世界的相互作用实在太小。就是存在这样的外星人，也绝不会对我们的地球有兴趣。中子星和黑洞中可能的生物也面临同样的尴尬。可以参考的就只有行星或卫星了。关于行星或卫星上的生命，我有如下猜想
假设1.2：硅基生物。想象一堆天然凝结硅晶体，含有杂质。这些晶体偶然的凝结成各种结构：能将光转换成电，又能又电生产硅。
我们来开动脑洞，想象一下各种形态的生命，为了便于分类，不妨将各种想象中的“生命”按照与人类类似的程度分级：
S级：
超越人类逻辑的生命，最有代表性的就是“无所不能的上帝”，显然，一个无所不能的存在是违背逻辑的，通过简单的逻辑假设就能证明“无所不能”不存在：祂能创造一块自己举不起来的石头吗？祂能创造出比自己能力更大的的生命吗？
显然S级要么不存在，要么超越了我们的逻辑以至于我们无法理解——假如是后者，那么无所不能的祂能让愚蠢如我们理解祂吗？
由于S级是如此的超乎想象，我们的任何讨论也就失去了意义。
A级：
符合逻辑，也就是符合数学的，但是超越物理层面的生命。由于探索技术的有限，人类的物理知识被锁死在一定的范围内：我们无法知道大爆炸“暴胀”阶段以前的宇宙是什么样的：是否存在比强相互作用力更强的相互作用力？密度比普朗克密度更大的环境下引力场是怎样的？已知的维度(无论是3个维度还是11个维度)以外是否存在更高的，但是不会干涉已知维度的维度？超光速的快子是否存在(我个人比较倾向暗能量就是快子)？
我们能想象到的A级生命的猜想包括：暴胀场生命、快子生命、不同物理参数的宇宙的生命。无论哪一种生命，其生存环境都是不与我们的世界发生互相干预的(因为如果发生了互相干预，必然会有干预的痕迹)。比如暴胀场生命，其生活的暴胀场环境在大爆炸后10−32秒衰变成近乎均匀的夸克、玻色子、轻子。在这以前发生的“故事”无法被我们探测到，也不对我们产生任何影响(即使存在影响，我们也无法知道这是生物遗留的影响)。再比如快子生命，构成其“躯体”快子具有几乎无穷大的速度。在相对论效应的作用下，一枚快子会在瞬间运动遍布整个宇宙，但是不会对我们生活的物质世界中的物质产生任何影响。
最极端的，假如我们的世界是一个缸中之脑想象的世界，那么，缸的外面可能还应该有一个符合逻辑的世界。当然，缸外面的世界也可能是超越逻辑的，也就是S级：或许我们证明“无所不能”的逻辑方法本来就是缸外面的世界设计的一条代码而已。
B级：
和我们统一宇宙的生命，其生命体由已知的物质(已知物质包括暗物质但不包括暗能量)构成，并且在三维空间存在形体。
显然，“费米佯谬”中提到的外星文明至少应该属于这一级别或者更低的级别(S,A级的即使降临地球人类也不可能发现)。
我们对物质的了解已经足够高了，完全可以尝试遍历所有的B级生命形式：
1：B级生命躯体的大小。物质的运动速度和以任何方式传递信息的速度是不能超过光速的，显然，越大的生命躯体成长的速度也就越慢，假如星系是宇宙海洋中类似细菌的生物，那么一亿年才是它的一个生命周期(地球一般细菌约20～30min便分裂一次，即为一代)，想象一下地球细菌用了几十亿年才进化成人类，等这些大家伙进化出智慧至少要亿亿年——宇宙早可能早就被暗能量变成一无所有的真空了。
2：B级生命躯体的构成。人类的躯体由原子构成，原子间由本质为电磁力的原子间作用力结合。电子和原子核构成原子，人体的一切生命活动都在电子和原子核级别发生(地球人的线粒体不具备核反应获得能量的能力)。
以下内容比较枯燥，不愿意看的请跳过斜体字直接看结论，如果对我的结论有怀疑，再慢慢的审核斜体字部分，我本身理论物理知识有限，也欢迎大家指出错误
在宇宙暴胀结束以后，相互作用力只有4种：是万有引力、电磁相互作用力、强相互作用力和弱相互作用力(暴胀结束以前可能存在其他的相互作用力，但是那属于A级的生命了)。所以构成B级生命的最小单位必须由其中的一种或几种力互相结合，结合强度足以保证最小单位不会随机的脱离。唯有如此，才能保证生物体结构稳定，从而保证其低熵的状态。如果构成生物体的基本单位可以与靠近的基本单位自由交换位置，那么生物体不不能维持低熵的。
对于人体，基本单位是原子，化学键保证了部分原子不能自由移动。最主要的是的碳-碳、碳-氧、碳-氮原子链中的碳氮氧。
如果这种力是万有引力，万有引力只有在星际等级才有足够的强度，那么构成“万有引力”生物的“原子”就是星球。由于大小的限制，星际级大小的生命不可能创造出文明。此外引力不能屏蔽只能叠加也是一个问题(为什么不能屏蔽的相互作用力不能维持低熵结构？这是一个问题)
如果这种力是强相互作用力，强相互作用力的距离大约在 10-15 m 范围内，那么构成该什么的最小单位必须被强相互作用力束缚在10-15 m 范围内才能保证生命的结构不会解体——强相互作用力不足以要把粒子约束在10-15 m的三维势井中。同理，弱相互作用力也不行。
这样一来，就只剩下电磁相互作用力一个选择。
传递电磁相互作用力必须有正负两种电荷，且其中一方必然是电子或正电子(否则就会发生衰变或湮灭)且不能两方同时是电子和正电子(否则还是就会湮灭)。也就是说，构成生命的最小单位至少是包含电子或正电子的。带电荷的基本粒子粒子只有电子、正电子和夸克。μ子夸克由于夸克禁闭至少要两个结合在一起。双夸克的带电粒子带电荷的粒子：电子、μ子、τ子 、六中夸克(及其反粒子)。其中电子、μ子、τ子不参与强相互作用力所以不可能聚集成团。夸克正好相反，想单独存在都不行，至少2人一组。μ子、τ子和两人一组的夸克都不稳定，半衰期最长的μ子才2.2微秒。所以构成B级生命的只能是电子、两个及以上夸克结合成的粒子以及两个及以上夸克结合成的粒子结合成的粒子(及其反粒子)——是不是有点绕口。
别担心，“两个以上夸克结合成的粒子”中，三个夸克组成的粒子叫重子，其中半衰期大于一秒且稳定的只有质子和反质子。所以构成B级生命的级别结构只有“电子-质子”和“正电子-反质子”两种结构。两种结构在不涉及弱相互作用力的情况下完全对称，根据观察宇宙中“电子-质子”占据主导，显然如果出现生命“电子-质子”结构是唯一的可能。电子和正电子不参与强相互作用力无法聚集成小于10-12 m的结构，只有质子可以在强相互作用力的作用下和中子聚集。最轻的重子是质子中子，越重的重子越不稳定，超过重子2的中子寿命相对于生物已经不可接受了(其寿命最长也是10^(-10)秒数量级)。更多的夸克结合体的还没发现，即使发现了，至少其质量一定大于质子。 “两个以上夸克结合成的粒子结合成的粒子”已知的只有一种，就是原子核。
如果存在质量介于电子和质子之间的稳定粒子，则其熵值必然极低。大爆炸过程中必然大量产生这种粒子， 1GeV能量以上的粒子对撞实验也必然很容易可以产生出这种粒子。事实上大爆炸产生的稳定粒子只有电子质子中微子和中子(通过与质子结合变得稳定)。由于可观测宇宙(半径91 × 109光年)是均匀的，这一结果是可以推广到整个视界内宇宙(半径91 × 109光年)的。
对于大于中子质量的基本粒子，尚不能确定其都是不稳定的(三个夸克组成的超子寿命都小于10^(-8)秒，而更多夸克组成的粒子目前的研究还很有限)。然而由于大爆炸并没有制造出大量的此类粒子，此类粒子即使存在也只能由夸克星等高能天体制造出来。而夸克星是不能存在生命的(前文所述，生命的躯体要保持三维结构就必须有相互作用力能够把构成基本粒子束缚在小于基本粒子间距的范围内，夸克星的密度高温度高，其基本粒子距离小而能量高，任何基本力都无法完成这一束缚)
这样一来，构成B级生命的只能是“电荷量是质子整数倍且质量电荷比大于等于质子的一坨夸克”和(正)电子。
综上，B级生命唯一可能的构成就是“质子或含质子的粒子团-电子”。
这里说明一下，量子色动力学和量子味动力学作为描述基本相互作用力的物理理论，虽然细节上还有很多争议(比如超出标准模型的粒子)，但是在理论物理界是大家都接受的。
即使这两者力学理论存在问题，
由于我不是专门学基本粒子的，对B级生命的讨论可能有所错误和疏漏，然而在可观测宇宙，大部分的物质是以质子、中子、电子(包括三者的某些形式的聚合)和暗物质形态存在的，由于弱力不能构成生物，所以非原子形态的生物即使理论上可行，也是缺乏物质基础的，唯一可能例外的情况就是夸克星(中子星是否会演变成夸克星尚有争议)，欢迎懂基本粒子和色动力学的朋友对B级生物进行补充。
C级：
和我们同一个元素周期表构成的生命。
对B级生命的讨论得出结论，生命只能是“质子、中子、电子(包括三者的某些形式的聚合)”，——也就是原子或者叫化学元素。
周期表里的元素和同位素就那么多，不在同位素列表中的同位素即使存在也大多是半衰期极短的同位素。超铀元素稳定岛即使存在较稳定的元素，其半衰期也不可能超过万年(或许是秒级别的)，显然，生命不能指望稳定岛上的元素，而除了稳定岛，宇宙再不可能制造出周期表外的稳定元素了。
让我们把目光聚焦到周期表上的百余个元素。
生物需要结构、能量、溶剂
结构
前面说过，所以构成生命的最小单位必须由其中的一种或几种力互相结合，结合强度足以保证最小单位不会随机的脱离。对于周期表元素构成的生物，结合力就是原子间作用力和分子间作用力(本质上都是电磁力)，而最小单位则是原子，而等离子体由于不能固定构成其本身的物质，是不能构成生命的。
也就是说，构成生物的原子必须结合的足够“强”以至于这些原子不会被热运动变成随机位置。
最理想的“结构原子”就是碳，碳碳键钉住的原子是宇宙中位置最稳定的原子，金刚石的硬度是已知最大的。(锇的硬度可能超过金刚石，然而锇在宇宙的任何地方都是稀有的)，其他候选的原子包括：碳、氮、过度金属、铍、硼、铝、硅、硫、磷等等。
但是有几点是明确的：氢不能成为结合原子(只有一个配位键)，氧硫不能单独成为结合原子。
能量
生物除了结构原子还需要能量，地球生物圈主要的能量循环是以碳水化合物最为承载的。
在光合作用过程，光能电离水产生游离氢，还有部分能量传递给ATP，然后ATP的能量辅助下游离氢与二氧化碳结合成碳水化合物，有氧呼吸则几乎是反过程：碳水化合物释放少量能够产生氢原子，氢原子氧化产生大量能量。
熟悉燃料电池的朋友会发现其实线粒体就是最好的燃料电池。
溶剂
燃料电池除了燃料还必须有电解质，事实上由于生物不能是等离子体或高温体(结构原子的结合强度决定)，化学反应不可能在高温气相下进行。熟悉冶金和化工的知道，化学反应无非是火法或者湿法，火法不行则只能选湿法。所以生物离不开液体溶剂。
做电池电解质设计的知道，液体溶剂要支持高能反应，本身必须是足够稳定的，如果本身电离电压只有。0.5V，那么就无法承受超过0.5V的电化学过程。同理，生物体选择的溶剂决定了生物获取和储存能量的上限。
宇宙中常见的中低温液体：水、液态氢、液态甲烷、液态氨、液态氮、液态氧、液态二氧化碳、液态硫、四氧化二氮、二氧化硫、浓硫酸以及其中某些的混合物(显然需要不发生化学反应才能混合)
液态氢做不了电解质×，液态氮、液态氧、液态硫、四氧化二氮同理×
液态甲烷、液态氨的电离电压很低，不足0.1V(具体依照温度而定)，也就是说液态甲烷、液态氨为电解质的生物无法进行电化学电压超过0.1V的化过程。
类似的，以水为电解质的地球生物无法把硅、铁、钠、氯、氟这样的元素变成单质。
二氧化硫、浓硫酸的电离电压同样比水低很多(注意浓硫酸的电离是分解成亚硫酸或二氧化硫)，而且在宇宙中比水更加稀少。
让我们回顾前文的结构元素，由于溶剂的限制，无论水电解质生物还是非水电解质生物，都无法把钛、硅、铁等强碳化物形成元素从氧化态变成游离态或碳化、氮化态，如果要存在“硅基、铁基、铝、铍、硼基生物”，就必须存在非氧化态的硅、铁等供其吸收(并没有)，然而这些元素的游离态是不能与电解质天然长期共存的。比如硅，含有液态水的环境是不可能天然含有游离硅的。而要把二氧化硅转换成游离硅，又不可能在水环境下进行。
好了，结构元素只剩碳、氮、硫、磷了，氮氮键、氮氧键、氮硫键都不稳定，氮还剩离不开碳作为生物结构，目测只剩磷硫了。
磷硫和碳一样，属于和谁都能结合，和自己也能结合的原子，然而磷硫无论和什么结合，形成的化学键都很“弱”(想象一下白磷的硬度和金刚石的硬度)，由它们作为结构原子的生物(如果存在)将会脆弱的令人发指。
综上，碳基-水电解质生物实际上已经是B级生物的最优解，其次是碳基-氨电解质生物，再次是磷硫基——周期表就这么大，并无其他解。
关于超级硅基生物假说：很多人疑问，你说硅/金属基生物不可能存在，那你是什么？这就需要所谓超级硅基生物假说，超级硅基生物，允许高温气体作为生物构成，所以不再苛求电解质，为了避免高温气体打乱自身原子排列，超级硅基生物存在隔热结构，然而超级硅基生物是无法自然进化产生的(大型有序结构不能进化产生，这里的有序是量子态级别的有序)，一般认为，全人类的工业体系构成一个“准超级硅基生物”(因为工业还需要人力和木头等碳基生物)，理想的超级硅基生物是否存在尚不确定，我个人认为，即使存在超级硅基生物，也是要依赖碳基构件的。
D级
碳基-水电解质生物。
以地球生物为代表的，碳基-水电解质生物(下文简称碳水生物)，可能具有的结构太多，我们不一一论述，然而我们仍然能够估计碳水生物对环境的要求。
通常认为，碳水生物必须形成膜结构，即疏水-亲水分子在水环境下排列成的具有流动性的膜，必须存在遗传物质(请大家开动脑洞构思非膜结构或者无遗传物质的细胞，我已经老了 o(︶︿︶)o)
水，必须是液态水，常压下0~100℃。即使加高压保持液态，如果温度超过100℃，高温会使氢键断裂，破坏膜结构破坏。而智慧生物，对高温的耐受是更差的，因为高温产生的破话即使概率很低，在复杂系统(脑)中也是严重的。事实上，地球人的37℃体温并不完全是适合环境的结果，在热带，保持39℃的体温才是最节省成本的(人体散热的结构比保温的结构发达的多)，然而人体(脑部)的温度却最终进化在37℃。事实上即使是有机膜结构的燃料电池，在80℃以上也会迅速损坏。我们有理由相信碳水生物是很难很难适应80℃以上的环境的(某些简单细菌能在更高的温度下生存，然而他们都是极其简单的，比如海底火山口的化能细菌)，越复杂的碳水生物，耐受炎热的能力越差。
生物要获取能量。化学能：地球上存在化能自氧菌(最初的生物也可能是此类)，但是，稳定的、大量化学能供给是不可能存在的(高能则不稳定)，所以单纯化学能基础不可能支撑起复杂的生物圈系统。原子能：引发原子能所需的能量超过了电解质(水)的电解电压(原子能通常需要MeV级别的能量，水才1.2V)，完全没有可能。热能：热能必须存在温差才能吸收效率极限(η<1-T2/T1)，然而如果生物是μm级别的(最初的生物就真么大，复杂生物的线粒体和叶绿体也如此)，它所处环境的温差小到忽略不计，所以热能无法被简单生物利用，能量的利用是从简单生物开始的(线粒体和叶绿体可能曾是单独的生物)，简单生物无法利用热能，复杂生物也无法进化出热能利用系统。电能：天然电能(闪电)太狂暴不予考虑。
只剩下光能和机械能(风潮汐等)了。
恕我想象力不足，无法现象出风力细菌，所以只对光能进行考虑。
光能的利用率，具体见该词条：[url]https://www.zhihu.com/question/265494436[/url]
由于二氧化碳和氧是气体的，所以复杂生物必须有一个大气环境(即使是海洋溶解氧和二氧化碳至少也需要气压)
D级需要的星球
由于我们讨论的是费米佯谬，永远只是几个细菌的化能生物圈不予考虑，所以这颗行星温度0~100℃(至少某些区域常年处于5~60℃供智慧生物生存，较热的星球智慧生物生活在极低，但是由于极低少光且辐射强烈，其智慧生物的进化将比人类更加困难)，光线充足，表面富含碳氢氧，听起来不稀奇？
作为临近的恒星，如果超过1.5太阳质量，寿命不足20亿年，不予考虑，质量小于0.5太阳质量，则光线暗淡。其亮度远远小于太阳，如果行星要获得足够的表面温度，就必须很近———然后自转就会被潮汐作用锁死，一天等于一年，环境太过恶劣。
行星本身要有足够的引力和磁场阻止大气的逃逸，通常认为这需要一个熔融的铁地核。最后如果外星人想发展工业，那么他们的星球至少需要有煤或者石油——这需要板块运动和大量的生物遗骸。
这些条件都满足了，130亿年已经过去了。。。。。。
有人提出，如果恐龙进化出文明，那么地球是否可以早一亿年进入工业文明呢？这是可能的。虽然恐龙时代没有煤炭，但是石油是有的(应该也必将少)，智慧恐龙发明水车后直接发现电磁感应，进入电气时代。煤炭的恐龙只能用木炭冶金，发展的会慢一点，不过几万年走完工业革命还真有可能，说不定还比人类走的更远。毕竟没有得“化石燃料依赖症”。
科技天花板是我一直以来不愿提及甚至不愿想起的一个话题，因为这个话题实在太过让人绝望。不过在这里，我还是决定把我所知道的事实分享给大家，其中有些领域还有一线“希望”欢迎专业人士补充把希望也堵死。
科技天花板假说认为，科技发展到极致，将永远无法提高。
说科技，躲不开能源。
水力风力潮汐力就不用说了，总共就那么多，水力风力本质上不过是太阳能的此生能源。关键还是在于太阳能和原子能(潮汐力来自地球自转的能量)。太阳能技术日趋完善，不过太阳能毕竟比较分散，以目前人类的耗能量级，完全太阳能化是可能的，如果增加几个数量级，则无法满足。另外，当人类掌握了地球的所有表面以后，太阳能和农作物将形成竞争关系。至于太空太阳能板，因为收运输条件的限制，经济化的可能性不大——但也存在可能。
核能，难度由低到高可以分几个级别：慢堆裂变，快堆或其他高效裂变，氘氚聚变，氘氘聚变，氘氦3聚变，氕核聚变，铁化聚变，质能转化。
核裂变早已实现，。慢堆裂变，燃烧U235和少量的U238(地壳铀丰度2.7 ppm，其中U235只占天然铀0.7%)。快堆或其他高效裂变，可以燃烧大部分的U238甚至钍。氘氚聚变，消耗氘(海水中含量十万分之三，即30ppm)，锂6(吸收中子用于产生氚，地壳锂丰度20 ppm，其中锂6占7.5%)和铍(用于中子增值，地壳丰度2.8 ppm)。氘氘聚变，无需消耗锂和铍。氕核聚变，真正太阳中心的核聚变，以宇宙中最多的同位素氢作为燃料。铁化聚变，大质量恒星中的核聚变。将轻的核素如碳，氧，硅聚变成铁。铁和是核子能量最低的结合。将元素铁化，就是彻底榨干原子核的能力。质能转化已经不是原子能的范围，不过暂且放在此处。
核裂变早已实现，快堆因为废料问题没有推广。可以看到，裂变的原料还是比较充足的。由于铀是重元素，越往地球深层含量越高，铀在酸性火成岩中的丰度值为3.5～4.8 ppm，基本反映了铀在上地幔中的丰度，而锂6和铍的丰度则越往地下越低。单从原料丰富的的角度看，氘氚聚变相对于快堆并不具有优势。(这里提一句，目前氘氚聚变已经可以在热核聚变反应堆中实现，但是产出仍然小于投入，也就是说反应堆发的电比维持反应堆需要的点少)
氘氘聚变，1升海水中含有0.03克氘(30ppm)。这0.03克氘聚变时释放出采的-能量等于300升汽油燃烧的能量，因此，人们用1升海水=300升汽油这样的等式来形容海洋中核聚变燃料储藏的丰富。而且，氘的提取方法简便，成本较低，核聚变堆的运行也是十分安全的。因此，以海水中的氘、氚的核聚变能解决人类未来的能源需要'将展示出最好的前景
——事实上以上这些，目前还是人们的幻想。氘氘聚变以及氘氦3聚变需要的温度远远高于氘氚聚变。但从理论角度，不能证明其不可行。唯一遗憾的事，无论是氘还是氦3在地球和宇宙中的丰度都是极低的，事实上，越是易于聚变的材料，在宇宙中往往越是稀有(因为更容易被恒星烧掉)。考虑到海水只存在于地壳表面的“薄薄一层”，实际上在地球上氘也是比铀更稀有的。至于氦3，丰度比氘更低，聚变难度比氘更高。
氕核聚变，四个氕核聚变成一个氦核，也就是太阳核心发生的核反应。遗憾的是在地球压强下，氕聚变产生的能量不足以引发氕聚变。也就是说，在地球上要把氕加热和压缩到可以聚变的程度，需要的能量比聚变本身产生的能量还高，而且是高很多，即使能量后续大部分被回收，仍然难以维持产出大于投入。同理，铁化聚变也不可能实现产出大于投入。
理论上一千块物质完全能力化为89,876,000,000 MJ。正反物质湮灭就是这样的。而反物质的制造则是反过来的过程。即89,876,000,000 MJ的能量转化出0,5kg的物质和反物质。当然这是理论转化。实际上转化率不足万亿分之一。要将反物质作为能源是不可能的，等于说用电电离水，然后用氢燃烧发电。区别是电离水的能量转换率高达90%。
关于黑洞引擎
氕核聚变投入小于产出的情况，是以使用电磁相互作用力作为加压力为前提的(这里的电磁相互作用力是广义的电磁相互作用力，包括磁约束和固体直接接触等等)。所以太阳能够实现氕核聚变，正是因为太阳利用万有引力压缩氢。那么，人类是否可以实现这一点呢？以地球的引力强度，显然是无法实现这一点的。
但是有一个方案至少在理论上，可以实现大引力——那就是黑洞引擎。
在所有的科幻能源中，黑洞引擎是唯一勉强符合已知物理法则的未来能源。迷你黑洞不断发出霍金辐射，只要不断向迷你黑洞补充质量，就可以维持其质量不变。考虑到迷你黑洞周围巨大的光压力，迷你黑洞同样可以作为氕核聚变乃至更重的核聚变的引力约束环境。
该系统目前的问题有两个，一是霍金辐射尚未被证实，二是制造黑洞需要的能量太过巨大。由于黑洞越小霍金辐射越强，太小的黑洞还没来得及吸入物质，就已经“蒸发”消失。所以必须一次性制造出一个足够大质量的黑洞。
说完能源说材料。
最基本的，结构材料。结构材料的强度来自于原子间共用电子所产生的原子间作用力。当两个原子通过这样的方式“粘”在一起，我们称两者之间产生了一个“键”。我们希望键的强度越大约好，每个原子伸出的键越多越好。
要在空间中锁定一个原子的位置，至少需要四根化学键，也就是说组成材料的原子配位数至少是四。而到目前为止，材料科学家已经尝试了元素周期表上的元素所能形成的所以的“键”，也就是说，任何两者原子间的链接强度都已经被考证过了。遗憾的是，最理想的，仍然是最原始的元素——碳。
每个碳伸出四个“键”，而碳-碳键的强度很高——在所有的原子里面，配位数大于或等于四的，最强的就是碳-碳键了。所以金刚石是世界上最硬的材料，石墨烯是世界上强度最高的材料——过去是，现在是，将来也一定是(不知道硬度和强度的区别？简单的讲硬度是衡量材料耐压的能力，而强度是耐拉的能力)。乐天派可能说了，石墨烯的强度是钢的一百倍啊，材料天花板还很远啊。首先，纠正一下，材料科学家的原话是“石墨烯的理论强度是钢的100倍”。什么叫“理论强度”？理论上，人的寿命都可以达到150岁：理论上，一千块物质完全能力化为89,876,000,000 MJ：理论上，植物把1%的太阳能转化成化学能，一亩可以产十万斤粮食……所谓理论上其实就是理论家画出的天花板，而在这一天花板的下面，还有另一层天花板，叫做实现。目前，超高强度钢AerMet100的强度是2GPa(F22的起落架就是AerMet100的)。强度更高的钢不是没有，但是脆性太大。而石墨烯的理论强度可以达到200GPa。不过，作为一个材料工程师，我可以告诉大家，钢铁的理论强度是20GPa，而且铁晶体是立体的，可以承受三个方向的力(石墨烯只能承受两个方向的力)而实际上AerMet100差不多已经是我们的极限了。30年来，还没人合成出脆性不增加而强度超过AerMet100的钢材。美国人财大气粗资源丰富搞合金钢，日本人只能研究碳纤维了，东丽的T1000强度7 GPa，是目前强度最高的一维宏观材料。为什么F22的起落架不用碳纤维呢？就在这个一维上面。碳纤维说白了就是一根线，只能承受拉力，要承受其他方向的力？可以啊，缠绕打卷，用线织成布。这样一弄，强度还不如超高强度钢，好在碳纤维轻啊，做不了起落架可以做飞机翅膀。碳纤维的微观结构主要就是石墨烯，也就说说，理论强度20的钢铁，现在实际强度2，差不多到顶了.理论强度最大的材料石墨烯，目前各种方法计算出的理论强度中最大的为180GPa, [[url]https://wenku.baidu.com/view/49b7cf52be23482fb4da4c72.html[/url]]
目前实际强度7 GPa，如果继续研发，估计可以达到20甚至50 GPa，相对应的三向强度大约是5~12 GPa，即在现有材料的基础上增加5至10倍，很难再高。
实际强度要达到理论强度的四分之一，容忍的缺陷只有大约2个原子，常温的热运动和自然本底辐射就足以产生这样的缺陷。如果保留在超高空和太空的高辐射环境下，缺陷还会进一步增大，使得实践强度降低到理论值的十分之一。
综上，未来材料，硬度极限为金刚石，纳米晶或者叫准晶金刚石的硬度略好用晶体金刚石，这已经是硬度极限了。材料宏观强度极限大约可以达到当前的2至5倍(常温)。一维宏观材料可以达到20 Gpa，50 Gpa强度的纤维将是十分脆弱的，自然环境的本底辐射可能就会将其破坏。三维材料的宏观强度大约可以达到10Gpa，并且会很脆。耐热极限是由原子间作用力决定的，在电磁相互作用力不发生变化的前提下，不会变化。仍然是3000℃~4000℃。
特例说明：使用第一性原理，通过内聚能计算“键”强是最科学的方法。遗憾的是由于量子力学和相关数学工具还不够完善，我们还不能用理论计算反方法准确的计算内聚能。实验测得内聚能然后计算相应的强度和硬度也是一种思路。有文献显示锇的某些化合物可能具有更高的硬度和强度。但是由于地壳中锇极其稀有，所有目前还没有准确的内聚能实验数据。
此外，考虑到纳米晶金刚石的硬度超过晶体金刚石，使用氮、硼、钛、锇取代部分晶界碳原子，可能形成比纳米晶金刚石硬度高出几个百分点的材料。但是这种以缺陷和孪晶增加硬度的原理，不适用于增加拉伸强度。
关于“非化学键结合材料”的说明：
很多人提到“使用其他力约束物质实现高强度材料或者类似功能”的问题。我的文章对“费米佯谬”的纯理智分析对B级生物的分析中讲到，“构成B级生命的最小单位必须由其中的一种或几种力互相结合，结合强度足以保证最小单位不会随机的脱离。”对应材料类似有：
构成结构材料的物质的最小单元，必须在某一种或几种相互作用力的约束下，不能自由移动。现有材料的最小单位是原子，原子被电磁力“钉”在固定的位置上。
最小单元是具有能量的，一般温度越高，能量越高，被限制的位置范围越小，能量越高(量子势井效应)。如果最小单元具有的能量足以使其轻易的离开固定的位置，那么这个材料就是没有固定形态的流体。以中子星的中子层(中子星的中子层不是表层)为例，中子受到的强相互作用力虽然很大，但是不足以将其限制在尺度相当大中子间距的势井中。所以中子在中子星的中子层内可以自由流动。简单的说所谓中子态是流体，而且常压会蒸发，其机械强度和硬度为零。
已知的四种相互作用力中，引力不能屏蔽，只会把任何物质摊成球形，不予考虑。强力的作用通常情况下距离太短(为什么是通常呢？因为强力作用距离本身不短，但是夸克禁闭导致强力传递不远)，而根据量子力学的势井模型，要把粒子约束在越小的范围内，需要的能力就越高，而这个范围是不能大于力的传递距离的。所以强力无法“钉”住传递强力的粒子(强力钉不住强子，但是似乎可以钉住夸克，但是多夸克体似乎总是不稳定，色动力学这一块我也不是太懂，希望牛人补充)，弱相互作用力同样如此。所以说，即使不考了中子衰变的问题，中子星也是一团流体，根本谈不上强度。
转了一圈还是回到电磁力。
关于戴维球的说明
戴维球——设想中包围恒星获取能源的方案，具体有很多变种，比如戴维环等。戴维环的问题在于，太阳风和X射线高能紫外线对材料的轰击造成材料的老化。所以戴维球的寿命是有限的，我毕竟担心其发射和制造耗能比周期内的发电还多——涉及的参数太多，暂时还没有严格计算。
细说功能材料
相当于已经触顶的结构材料，功能材料多少还有一定的发展空间。介质到本文撰稿(2018年)，主流先进的芯片工艺为线宽12nm，接近极限，但是还没有完全触顶。未来可以达到6nm量级，如果继续减小，量子隧道效应就会毁掉一切。单晶硅仍然是目前主流的半导体材料，而未来以碳为骨架的功能材料很可能成为主流：石墨烯在特点方向上的导电能力超过银铜，而金刚石的高绝缘高导热性使其可以作为理想的绝缘材料。笔者还没有看到文献在理论上证明常温超导不可实现。然而存在可长期使用室温超导材料的可能性真的很低：即使未来成功合成了室温超导材料，其寿命也令人担忧——让我们做个简单的推理：假设存在室温超导材料X，既然在室温下使用，材料结构不可避免的犹豫热运动和辐射不断产生缺陷。如果X材料的结构本身处于严重的非稳态，那么这些缺陷就会不对积累导致材料结构转变。X材料几乎不可能是常温稳态材料(否则早就自然产生了)，那么是否可能是类型金刚石、斯石英或者渗碳体这样常温比较稳定的非稳态材料呢？也不太可能。这些非稳态晶体之所以能在室温下保持长时间的稳定，原因在于其高强度的晶格、较低的转变自由能和较简单的结构。而具有高强度晶格的简单原子结构并不是无限多的。事实上固体物理学已经遍历了其中很大一部分。可以预见，按照目前的研发速度，到21世纪末就足以遍历所有的结果了。如果到时候我们还没有找到室温温度的X材料，那么石墨烯就是室温导线的导电极限。
另外，导电材料的上限实际上决定了人类制造宏观磁场能力的上限，而后者又是人类制造宏观非接触力场的上限。比如热核反应堆需要的磁约束、磁悬浮列车、电磁炮、等离子推进器等，都被导线技术锁定了上限。
截止到本文撰稿(2018年)，主流先进的芯片工艺为线宽12nm，有报道称实验室中实现了1nm级的线宽，使用的是碳纳米管导电MoS2作为绝缘层。
能源材料说完了说具体的工程技术。
航天技术
太空采矿也好，太空移民也好，首先得有航天技术对不！要把飞船送上太空，至少要达到第一宇宙速度 v1=7.9 公里/秒，你要是上个月球啊火星啊什么的，则需要第二宇宙速度为 11.2 千米/秒(上月球需要的速度比第二宇宙速度小一点点)，要是飞出太阳系，那就需要第三宇宙速度v3=16.7 公里/秒。怎么才能飞这么快？无非三个办法，被扔上去(比如电磁弹射)，或者自己飞上去，或者扔一段飞一段。(要飞出太阳系，还可以借助行星的引力加速，就像旅行者所做的那样，不过行星提供的速度是十分有限的，而且要借助行星的引力加速，需要很长的“绕”很多的路，)现在的航天技术基本上都是“自己飞”。自己飞就需要一个重要的东西：工质。根据动量守恒，你自己要往前加速，就要往后“喷”点什么。根据动量公式：
p= mv
可知，要获得单位大小的推力，工质喷射的速度越快，消耗的工质越少。但是根据动能公式：
E=1/2 mv^2。
前者的v是一次，后者是二次，所以要获得同样多的推力，工质喷射速度越快，消耗的能量越多。两个极端的情况，一是工质质量取无穷大，则最节省能量。也就是用大地作为工质(地球的质量相对于航天器极大)用电磁弹射或者太空绳梯发射航天器；二是速度取极大，也就是光速，即航天器先后发光，利用光反冲前进；介于两者之间的，包括现有的化学火箭发动机、更节省工质但是更消耗能量的等离子推进器。
前文所述，结构材料的性能已经被锁死，太空绳梯就不要想了，电磁弹射目前还没有发现硬性的限制因素，唯一的问题是高昂的设备成本。前文所述，人类能利用的能源是有限的，而已可利用能源的利用成本正在也必将不断增加，而电磁弹射项目的建造是需要消耗大量能量和物质资源的，人类能否在能源耗尽之前建成用于发生卫星的电磁弹射装置，目前还是个问号。
化学火箭的性能已经接近极限(具体见后文储能技术)，等离子推进器可以更节省工质，被视为远距离宇宙旅行的优选方案。等离子推进器需要巨大的能量供应，在离太阳较近的情况下，可以考虑太阳能，而一旦原理太阳，就只能选择原子能，也就遇到前文能源天花板的问题而等离子推进器的功率又受前文所说的导电材料限制。，
储能技术
从手机到汽车到航空航天，储能都是必须的技术。太阳能可以为卫星提供通信所需的电能，也有纯太阳能的飞机，然而太阳能的分散性和环境敏感性决定了它不可能适用于汽车、手机这样的生活用品，所以储能技术是与生活息息相关的一项技术。
对于四种基本的相互作用力。引力的强度太弱，除非形成黑洞，否则其储能应用不予考虑(这里指的是移动设备的储能，固定设备例如发电站使用引力储能不予讨论)，黑洞的部分在本文黑洞引擎的部分详细讨论。
强、弱相互作用力作用距离极短，其参与的过程全部都是核反应和基本粒子反应的形式。在此仅以核反应为例说明。
小型核能系统是否可行。可发生的核反应太多(虽然大部分是吸收能力的，也就是负产出)，没办法像化学反应那样穷举。然而，中微子、电子和光子引发核反应的概率太低(其波长相对于原子核太长)，不可能作为核反应链的传递部分。所以要让原子核发生反应，就必须有重子“撞”原子核。核反应的能力等级不足以制造其他强子。只能是质子和中子。
质子(或含质子的原子核)“撞”原子核既是聚变——1千万摄氏度的条件是最低的入场券了，小型化不可能。既是约束条件很先进，高温等离子体的辐射也会散失大量的热。小型化的聚变堆一定是负产出的。而且电磁相互作用力能提供的约束方案(除了黑洞，无论是电磁约束还是惯性约束，本质上都要利用电磁力提供约束力，只不过前者是宏观的电磁，后者是原子间作用力产生的机械运动产生的惯性，而原子间作用力也是电磁力)是可以穷举的，前文的材料部分有详细说明，约束系统同样不能小型化。
中子“撞”入原子核——这就是熟悉的裂变了。要维持足够强度的裂变，必须有足够的中子通量。所以裂变堆的外壁需要：中子反射材料、中子减速材料、中子吸收材料。中子反射减速吸收依靠的是原子核，所以寻找这三种材料的过程相对简单——只要遍历所有的元素同位素就可以了。为了制造更小的核弹和卫星/潜艇用反应堆，除了极不稳的的同位素不予考虑，稳定和半衰期较长的同位素欧已经被大国测试过。(数据甚至可以下载)。在不考虑辐射泄露的情况下，目前实现链式裂变的最小质量是10kg(Pu239裸球)，而理论上最小的实现链式裂变的质量是2.73kg(锎-252裸球)，然而质量数超过239的超铀元素成本是极高的，具体的原因我们在关于超铀元素的部分会讲到。而大部分情况下，我们要求反应堆的中子必须被屏蔽，甚至作为中子屏蔽的材料在使用后也要填埋处理。由于中子只与原子核发生作用，且只有吸收、散射(弹性)、非弹性散射、引发裂变几种作用结果。材料的分子或晶体结构是不影响其中子屏蔽能力的。而即使中子屏蔽能力最好的氢、硼、铪也需要吨/平方米数量级的面密度才能将把裂变中子屏蔽到安全的水平。这意味着即使反应堆只有内燃机气缸大小，屏蔽装置也要重达几吨。而由于有中子参与，反应产物必然带有放射性，这意味着反应堆本身不能接触空气，必须封闭，通过热传导输出热量。这意味着，即使不计屏蔽材料，核反应度输出同样功率的情况下，体积和重量也是远远大于化学反应热机(内燃机或燃气轮机)的。
没有重子“撞”原子核过程是否可以输出原子能呢？可以，那就是衰变，然而正因为衰变不需要重子“撞”原子核，所以其速度是不收控制的。利用放射性元素衰变能量的放射性电池即使不放电的情况下，也会不断输出等功率的热量。此外放射性是随时间衰减的，辐射强度对时间满足指数小于1的指数函数，功率越大的电池衰减的放射性电池越快，即便如此，放射性电池仍然是比较理想的手机电池，前提是人类行为的稳定性足以保证此类电池不被损坏或丢弃，实现完全回收。
除了放射性电池，所有的小型化储能系统都只有电磁力参与，即以电磁力将系统固定在非稳态。由于电磁力的强度有限，这种方式储能的能量密度也是存在上限的。
化学储能。单位质量的化学反应，能量最高的是氟-锂反应：
2Li+F2=2 LiF+589J/mol
质量能量密度为：589/20.0= 29.45(MJ/kg)
对于稠密大气层内的化学反应，如果使用空气中氧作为氧化剂，则往往只计算还原剂的质量。此时质量能量密度最大的燃料是氢：
2H2+O2=2 H2O+483.65/mol
质量能量密度为：483.65/4.0= 120.91(MJ/kg)
以上两个反应的能量是按照产物的生产焓计算的，实际上更准确的方法是使用吉布斯自由能或者电位计算，考虑到大功率的化学能-机械能转化过程仍然是以热机为主，所以采用焓计算，用自由能计算的结果与焓的差别也不大，有兴趣的读者可以尝试一下。如果使用的燃料是非稳态的(比如金属氢)，理论上可以产生更高的能量密度，但是非稳态材料的能量越高，越不稳定，比如金属氢，需要大于100GPa的压强才能保持稳定，而且金属氢的自分解是固有的热力学性质，不能通过增加添加剂等方式增加其稳定性，根据前文对材料天花板的论述，维持大于100GPa的压强至少需要10倍于金属氢重量的石墨烯材料容器。
机械储能和电磁储能。飞轮、高压气瓶(高压气瓶仅仅适用于外界恒温环境如地球大气层内，不适用于太空)、高强度弹簧、电容、电感线圈等等结构同样具有储能的效果。
其中，任意形状弹簧储能的天花板是材料的强度和弹性模量：
E弹性/m=0.5δ^2 /λ*ρ 其中δ为材料强度，λ为弹性模量，ρ为材料密度
飞轮储能技术的天花板主义是材料的单向拉伸强度：
E飞轮/m=0.5*ω^2*r^2+ E弹性/m
=0.5δ/ρ+0.5δ^2 /λ*ρ
其中第一项是动能，第二项是飞轮变形产生的弹性势能
理论强度最高的材料石墨烯，目前各种方法计算出的理论强度最大值180GPa,理论弹性模量1T GPa，带入上式：
E/m=0.5δ/ρ+0.5δ^2 /λ*ρ
=0.5*180*10^9/(2.25*10^3)+0.5*180*10^9*180*10^9/(1*10^12) /(2.25*10^3)
=47200000(J/kg)=47.2(MJ/kg)
注意这里引用的是石墨烯的最高理论强度。前文材料天花板这叙述，实际强度难以超过理论强度的四分之一，对应的飞轮质量能量密度只有10(MJ/kg)，这仅考虑了飞轮轮体部分的强度，如果考虑轴承等因素，还会更低。
电容的容量取决于其电解质，电解质的击穿场强和电容量决定了其能量密度。
E/m=0.5*ε*E^2/ρ其中ε为电解质电容率，E为电解质击穿场强，ρ为密度。
共价键晶体的ε差不多，E最大的是金刚石材料，对于金刚石：
E=0.5~1GV/M[[url]http://www.docin.com/p-979875412.html[/url]]
=6~8 ε0
ε0 = 8. 9 × 10^12F/ m, ρ=3.5×10^3kg/ m^3
所有数值取最大值情况下，金刚石电解质电容的能量密度：
E/m=0.5*ε*E^2/ρ=0.5*8*9/10^12*(1*10^9)^2/(3.5*10^3)=1^4(J/kg)=0.01(MJ/kg)
离子电解质电容实际上介于共价共价键晶体电容和化学电池直径，更接近化学电池的离子电解质电容可以获得比金刚石电容更大的电容，但是储能稳定性很低(自发漏电)，而且能量密度不可能超过化学电池。
理论上使用锂合金制造飞轮配合氟氧化剂是能力密度最高的方案。
关于超铀元素
以上关于材料、储能技术的论述都是基于元素周期表现有元素的，98号元素锎(Cf)及其以前的元素都已经被穷举。99~109号元素的半衰期都在一年以内，超铀元素稳定岛即使存在较稳定的元素，其半衰期也不可能超过万年(或许是秒级别的)。
这意味着，无论这些元素及其与其他元素的化合、混合物的固体物理性质如何，都不可能产生稳定的、低缺陷材料。而无论是受力的结构材料还是半导体、导体等功能材料，对缺陷都是十分敏感的。所以这些元素作为结构材料、电子材料的应用没有考虑的必要。
作为化学储能材料，较重元素的能量密度是不可能大于较轻元素的，所以这些元素的化学储能同样不予考虑。
思路总结
不同于理论性严谨的理学论文，本文使用的信息比较杂乱，我没有逐条核实。我也很希望有人能提出质疑，因为对科技天花板的每一次质疑都是给未来的一份希望，但是这质疑应该是有意义的、符合现实的或者说至少是自洽的。
PS：该文内容的适用范围和引用的知识：
由于科技天花板这一结论十分重要，我再次重申一下该文涉及的知识和世界观的可靠性：
第一级知识：逻辑。逻辑演绎是一切思考的基础，如果质疑逻辑演绎本身，那么阅读本文毫无意义。在我的文章：对“费米佯谬”的纯理智分析(1)——生命的起源形式
硅基生物：对“费米佯谬”的纯理智分析(1)——生命的起源形式
中，讲述了S级生物就是超逻辑的。超逻辑下“A正确所以A错误”这样荒谬的内容都是允许的。比如据说超逻辑的上帝先生：上帝可以无所不能，上帝能创造一个自己不知道的秘密吗？能。上帝能知晓一切秘密吗？能。以上两条矛盾吗？矛盾。上帝能让以上两条不矛盾吗？能。
第二级知识：完全可证伪而未被证伪的知识。鉴于某些宗教人士喜欢称自己的教义为科学，为了表示对他们的尊重。这里不把“完全可证伪而未被证伪的知识”称为科学。姑且简单的称为伪知识吧。
这些伪知识包括：相对论两条基本假设、量子力学五条基本假设、描述引力场的爱因斯坦方程、描述电磁场的麦克斯韦方程、以及描述强、弱相互作用力的方程、基本物理常数、以及以上几条的适用范围
——为什么强调适用范围？因为这几条只在可观察宇宙内适用，超过普朗克密度的宇宙中的相互作用、可见宇宙以外的物理常数、不传递比特信息的能量和物质(比如暗能量)的不再这些条范围之内，生命的起源形式一文已经强调，这些条件下的知识无法被我们探测到，也不对我们产生任何影响。
第三级知识：我在查阅到的，但是没有亲自计算的计算结果(比如石墨烯的理论强度)；或者我查阅到但是公布的重复实验较少的实验(比如各种元素的中子截面)；或者一些工程上的、精度不是很高的数据(比如地壳某些元素的丰度)。这些知识我都采用了可能的、对天花板限制最宽松的结果。
第四级知识：以上三种之外，我不经意使用的知识。
如果对第一级知识质疑，也没必要阅读本文了。如果质疑第二级知识，请出门左转各大宗教。
如果第三级知识有误或者我真的使用了第四级知识，请指出。类似于“科学一直在进步所以将来一定会继续进步”、“现在人无法想象未来的技术”这类说法就不必提了，徒增笑料。
如果有人在某一段的推理中质疑我，我希望你具有相应的基础知识。总之，本人的知识博而不专，或许每个人在其擅长的领域都比我精通，所以，如果要质疑我给出的结果，请选择你精通的方面。
比如说你对相对论的可靠性有疑问，觉得相对论不适合作为理论依据，那么你至少应该知道相对论的基本假设是什么；比如你高呼石墨烯的强度是钢铁的百倍，那么至少应该知道什么叫强度。
最后，如果认为本文的逻辑体系存在问题，比如“现在的知识不适用于未来”。那么请等待我关于唯物主义和唯心主义的论文。