1964年，蘇聯天文學家尼古拉·卡爾達舍夫（Nikolai Kardashev）提出了一種劃分宇宙中文明等級的方法，即以掌握不同能量等級為標準，具體如下：

·I型文明：掌握文明所在行星以及周圍衛星能源的總和。

·II型文明：掌握該文明所在的整個恆星系統（太陽系）的能源。

·III型文明：掌握該文明所在的恆星系（銀河系）裡面所有的能源，併為其所用。

很顯然，人類連I型文明也沒達到，因為人類還未能控制地球上能夠產生的最大的能量——核聚變。

愛因斯坦早在1905年就指明了人類可以獲得的最大的能量所在，即將物質轉化成能量。原子彈中的核裂變，以及氫彈中的核聚變，都是遵循的這個原理。人類控制核裂變是在原子彈誕生之前，因此在二戰後，人類很快就開始利用核裂變發電了。比核裂變更有效獲得能量的是核聚變。核聚變的原理和太陽發光的原理相同，它是將原子量較小的元素（在元素週期表中必須排在鐵前面）快速碰撞，變成原子量較大的元素。在這個反應中，因為有品質的損失，所以將產生巨大的能量。

核聚變比核裂變有很多優勢。首先，從理論上講，在同等品質下，核聚變所產生的能量比核裂變高出上百倍，這也是氫彈的當量要比原子彈高出上百倍的原因。其次，核聚變所需的材料氘和氚在海水中大量存在，一升海水中的氘和氚如果完全發生核聚變反應，釋放的能量相當於300升汽油的能量，這種能量可以說取之不盡，用之不竭。而用於核裂變的放射性元素在地球上的含量很有限。最後，核聚變反應沒有放射性，因此更安全。目前人類對核電站最大的擔心是萬一出現故障而導致的核輻射。但遺憾的是，人類在發明核聚變武器氫彈之後60多年，依然沒有能力控制核聚變反應。

最早提出核聚變的是著名的美籍俄羅斯物理學家喬治·伽莫夫，他在1928年，即人類發現核裂變之前就提出了核聚變的理論。伽莫夫認為，當兩個核子足夠接近時，強作用力可以克服靜電力（也稱為庫侖障壁）結合到一起。一年後，英國物理學家羅伯特·阿特金森（Robert d'Escourt Atkinson，1898—1982）和德國物理學家弗裡茨·豪特曼斯（Fritz Houtermans，1903—1966）根據伽莫夫的這個理論，預見了當兩個輕原子核中高速度下碰撞時，可能會形成一個更重的原子核，並且釋放出大量的能量。1933年，英國科學家馬克·奧利芬特（Mark Oliphant，1901—2000）發現用氫的同位素重氫和超重氫（盧瑟福把它們稱為氘和氚）的原子核發生反應，可以獲得巨大的能量。二戰之前，伽莫夫和美籍匈牙利科學家愛德華·泰勒（Edward Teller，1908—2003）推匯出了進行核聚變反應所必需的條件，即極高的溫度。在人類製造出原子彈之前，根本無法達到核聚變所必需的高溫，因此這項研究一直沒有進展。原子彈被研製出來後不久，泰勒就利用原子彈爆炸形成的高溫，實現了核聚變。1952年，第一顆氫彈試爆成功，其原理就是核聚變。人們發現，氫彈釋放的能量是同樣品質的原子彈的幾十倍（由於氫彈可以做得比原子彈大，真正大氫彈的威力是後者的上百倍，甚至上千倍），但遺憾的是，氫彈裡的核聚變反應是不可控的，釋放的能量無法利用。不過，人類從那個時候開始，就致力於可控核聚變的研究。

核聚變反應需要幾百萬度的高溫。在這樣的溫度下，沒有任何容器可以“盛”參加反應的物質，因此，人類一方面知道地球上最多的能量所在，另一方面卻無法利用。

我們都知道物質有三態：固態、液態和氣態。其實當物質的溫度高到一定程度後，就會處於等離子狀態，這時電子基本上和原子核分開，處於遊離狀態的原子核就可以互相接近，開始核聚變反應。於是科學家就想到產生出高溫的等離子體，讓它們進行核聚變。至於怎麼才能盛得住這樣高溫的物質，英國物理學家、諾貝爾獎得主喬治·佩吉特·湯姆森（George Paget Thomson，1892—1975）在1946年提出，利用箍縮

效應使等離子體離開容器壁，並加熱到熱核反應所需溫度來實現可控核聚變反應。再後來，著名物理學家塔姆（Igor Tamm，1895—1971）和薩哈羅夫（Andrei Sakharov，1921—1989）提出，在環形等離子體中通以巨大電流，所產生的強大的極向磁場和環向磁場一起形成一個虛擬的容器，可以將等離子體約束在磁場內部。根據這個原理，物理學家發明了一種被稱為託卡馬克（Tokamak）的可控核聚變裝置。Tokamak一詞是俄文單詞環形（тороидальная）、空腔（камера）、磁（магнитными）和線圈（катушками）的縮寫，它最初是由蘇聯的阿齊莫維齊等人發明的。

▲圖10.1 託卡馬克核聚變裝置

託卡馬克雖然可以產生能量，但是維持強大的磁場卻要大量消耗能量，因此從產生能量的效率來說，目前所有的託卡馬克裝置都是得不償失的。不過好訊息是，產生能量和消耗能量的比值（被稱為Q值）在不斷上升，也就是說，科學家可以用更少的電能產生出更多的核能。此外，在核聚變反應中，產生的能量大約有1/5可以利用，也就是說，Q值必須大於5，消耗的能量和獲得的能量才平衡。再考慮到熱能轉換成電能，電能再轉換成磁場的過程損失，國際上公認的能量收支平衡點Q必須達到10以上。而要使得核聚變發電具有商業競爭力，則Q值需要達到30。因此，目前實驗階段的核聚變和實用相去甚遠，樂觀的估計還需要30~40年的時間。

另一種實現可控核聚變的方法是採用極強的鐳射束打在固態氫原子靶球上，讓它們發生聚變反應，不過產生極強的鐳射本身也需要巨大的能量。2014年2月，美國勞倫斯–利弗摩爾國家實驗室的科學家宣佈，經過數十年的研究，他們在鐳射可控核聚變方面取得了重大突破，聚變產生的能量第一次超過了激發聚變所需的能量。當然，這項技術距離實用還有非常大的距離，比如目前的成本高得讓人難以接受。除了裝置造價高昂之外，原料的成本也很高。就拿固態重氫或者超重氫來講，因為要求絕對圓，一個直徑2毫米的靶球造價就高達百萬美元，不過勞倫斯–利弗摩爾實驗室的成功至少讓人類看到了利用可控核聚變獲得能量的希望。

在歷史上，科學家們有好幾次覺得看到了可控核聚變的曙光，但是隨後的十幾年又證明路途還很遙遠。漸漸地，很多人對它就不太抱希望了。然而，很多時候技術的突破就在一瞬間，此前沒有任何徵兆，或許核聚變就是如此。

實現可控核聚變的意義遠不止獲得足夠多清潔能源那麼簡單，而是標誌著人類文明水平將達到一個新的高度。目前採用化石能量推進的火箭最多把人送到火星或者金星附近的距離，不可能完成飛出太陽系的使命。如果人類能夠像控制火一樣自由地控制核聚變，至少在能量方面可以讓人類在太陽系內自由地航行。

人類在挖掘和使用能量時，會帶來很多好處，但是也帶來了問題，比現在天大家擔心的汙染和全球變暖問題。而那些問題需要用新的技術來解決，而不是簡單退回到過去。目前人類一年的發電量（2017）不過25拍瓦時，

相當於太陽10分鐘照射到地球的能量。從人類目前利用能量的水平來看，技術發展的潛力還非常大。類似地，資訊的利用也會帶來巨大的負面作用，而人類也需要新的資訊科技解決相應的問題，這個前景同樣廣闊。