人类真的永远无法离开拉尼亚凯亚超星系团吗?

人类真的永远无法离开拉尼亚凯亚超星系团吗?

瞻云,先让一部分知识有趣起来

还离开拉尼亚凯亚超星系团……离开银河系都够呛。

锁死人类的不仅仅是距离,还有时间。

银河系其实很像一个巨大的扁陀螺。

我们平时看到的银河系,主要是俯视角:

但其实它是这样的:

侧视角则是中间厚边缘薄的形状(不过外银河系又变得更厚)。

一般认为,银河系直径 10 万光年 +。

太阳系距离银心 2.6 万光年,那么从俯视角上,人类走出银河系的最近距离是 2.4 万光年,最远距离是 7.6 万光年。

对于上万光年来说,挑战难度实在是太高。

我们降低一下难度,不妨认为从侧面离开银河系范围,也算是走出。

银河系中间厚(可达 1.2 万光年),边缘薄(100 光年),平均厚度 1000 光年。

银盘又分成内部较薄的薄盘(蓝绿),和外部较厚的厚盘(浅黄),太阳在薄盘上,基本处于银盘的中轴线上。按照平均 1000 光年的厚度来,走出银河系需要 500 光年。

500 光年看起来容易了很多。

但对于人类来说,依旧是空前的难度。

工质发动机,都是通过高速喷射工质(物质)来获得推动力。

火箭方程(齐奥尔科夫斯基公式):

为火箭喷射速度,

为火箭初始质量,

为火箭喷射后质量。

在近光速情况下,需要考虑相对论效应,引入洛伦兹因子:

可得到阿克莱公式(也即广义齐奥尔科夫斯基公式):

对于 500 光年来说,如果我们用 0.9C 的亚光速飞行。

考虑到时间膨胀效应,得到所用的时间为:

利用 10 代人,或者掌握休眠技术之后,242 年也并非是不能接受的程度。

那人类如何才能达到 0.9 倍光速呢?

带入阿克莱公式有:

也即:

目前人类最好的化学燃料发动机,喷射速度 5000m/s 左右。

光速 C 为 299792458 m/s。

带入可得:

可观测宇宙的的原子总数才 10^82 个。也就是说,如果仅仅用化学燃料,哪怕你仅仅加速一颗原子,也需要喷射

个宇宙的总物质,才能加速到 90%光速。

这个离谱的数据结果,表明人类按照当前的航天技术(不涉及粒子加速器),加速任何物质到达 90%光速都绝无可能的。

那我们稍微展望一下未来呢?

目前人类设计的可行核裂变发动机,喷射速度接近 10000m/s 左右。

带入可得:

这还是一个天文数字。

目前人类有望设计出的核裂变发动机,最高理论喷射速度为 100km/s。

带入可得

这个数量级,依旧需要消耗庞大的宇宙数量。

这些结果也表明,想要星际旅行(星系级),单纯依靠核裂变也是绝无可能。

最后我们只能上核聚变了。

根据钱老的《星际航行概论》,核聚变的最高工质喷速可达 15000km/s,也即 0.05C。

那么,用上核聚变发动机后,宇宙飞船的初始质量和喷射后质量比为:

哪怕宇宙飞船按照较轻的 5000kg(5 吨)质量来算,飞船(或火箭)的初试质量为:

也即 30 万亿吨。

这质量相当于 3 亿艘 10 万吨级航母,或者能覆盖整个北京城,纵横 100 多公里的超级飞船。只不过滑稽的是,这个超级飞船绝大部分装载的都是氢聚变燃料。

这明显是理论可行,但几乎没有实操可能。

最后,我们其实还可以核聚变发动机 + 粒子加速器,搞一个超级离子发动机。

欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机可以把质子加速到 99.9999991%C。

这个喷射速度,可以把质量比缩小接近极限的状态:

按照人类当前的技术,质子加速 99.9999991%C 依旧需要几十公里,仅仅离子加速器就有 50 万吨。

那么整个飞船的总质量将高达 1000 万吨,虽然比前面的 30 万亿吨好得多,但实操性也很差。

其实,为了经济,也并不需要把质子加速到 99.9999991%C。

只需要用小型加速器,把等离子体加速到 0.5C,就已经相当可观了。

这样:

基本属于还算可接受的范围。

在人类掌握可控核聚变的条件下,粒子加速器的规模或许可以足够的缩小。但要足够的动力,而可能需要大量的粒子加速器矩阵,同样占据主要的飞行器空间。

除此之外,由于喷射的是超高温的质子(或等离子体),需要建设一个庞大而复杂的动力约束系统,这个难度也是迄今人类无法想象的,毕竟我们连托卡马克装置发电商用都还搞不定。

其实还有一个办法,就是使用光子发动机。

然而通过光压在 1 平米上产生 1N 的力量,就需要地球赤道正午 20 万倍阳光的强度。

仅仅推动 50 吨的大型火箭,就需要 1000 亿倍地球赤道正午阳光强度,差不多接近于太阳表面的光度。

考虑到速度和损耗,实际需要 50000~250000K 高温的光,这个光辐射强度下,几乎宇宙中的任何物质都只能等离子体的形式存在。

或许光子发动机本身,就难以有运用的可能。

至于曲率发动机,虽然实验室模拟出了纳米级的曲率泡,但真正能星际旅行的曲率泡同样是星体级能量的,庞大的能量同样能轻易毁掉任何的材料。

曲率引擎运用,同样存在无限高的难度。

我们仅仅探讨的是 0.9 光速,如果是达到 0.99c,前面公式中指数的底数则会由 19 变成 199,难度呈数量级提升。

从相反的角度来说,如果不需要近光速,人类掌握可控核聚变后,具有 20%光速的可行旅行速度,足以帮助人类全力开发太阳系。这个速度尚未形成明显的相对论效应,勉强能到比邻星附近,遨游太阳系奥尔特云范围之内,但恒星之间旅行难度还是太大。花个 1500 年,几十代人,才能勉强在 300 光年的本星系泡内旅行。

所以,走出银河系必须近光速。

但以上结果也表明,人类要近光速旅行,必须做到喷射工质的近光速。

目前这对于人类来说,这是绝对的技术空白,即便聚变的理论工质喷速上限也才 0.05C。

而粒子加速器小型化作为工质喷射系统的一部分,也仅仅是本回答的一个设想。对于未来人类来说,是否是一个可行方案,同样是未知的。只要动力系统过于庞大,就注定了,唯一能星际旅行的只能是巨型飞船,或者飞船动力系统之外的小部分本身就是拥有庞大人口的太空城。人类在这个太空城中,本身完全能够自给自足。

当然,如果未来的人类能够在飞行的过程中,能高效率收集氢分子云,飞行效率有更进一步提升的可能。虽然氢分子云无比稀薄,但对于 1 平方千米的收集器来说,每飞行 100 光年,还是能收集 100 万吨左右氢分子的,具有能源收支平衡的可能性。这样可以大大减少携带能源的初始质量。(大型收集器,也可能是近光速飞行器减速的一种方法。毕竟再反向喷射物质,意味着需要携带更多的初始燃烧,更加不可行)

但这也只能保证在银河系内旅行更容易,银河系之外,氢分子云更稀薄时,就需要自带大量的燃料。

总之,近光速旅行(0.9C)的可能性很低,但如果真的实现,或许存在渺茫的希望从而可以让人类经过 200 多年,近 10 代人,能够从银河系的侧面“走出银河系”。

而且这 200 年的时间里,为了考虑居民正常生活可承受的加速度,仅仅加速就需要用 10 年以上的时间。

至于要从银河系的俯视角走出去(近端 / 远端),需要的时间则是 1~3.5 万年(参考系为飞船内,对于地球人来说,则经历了 3~10 万年,差不多能诞生一个新的人「亚」种了)。再加上宇宙飞行的辐射,增强基因突变,可能变化会更快。

也就是说,从生物学的角度来说,当人类从俯视面飞出银河系的时候,可能已经是不同的人类分支了。

其实如果考虑到暗物质,银河系的大小足足有 190 万光年,人类要飞出去还需要增加 10 多倍的时间。

至于……要飞出拉尼亚凯亚超星系团。可以说是完全接近于幻想。

拉尼亚凯亚超星系团是多大呢?

5.2 亿光年。

数字很难让人有直观的概念,我们不妨对比来看看。

这是 1000 万光年大小的本星系团:

银河系只是内部大点的一个点。

人类即便掌握 0.9C 飞行速度,飞出本星系团(500 万光年)的飞船时间为 200 多万年,地球时间则为 500 多万年。这个时间,约等于我们与黑猩猩的亲缘差距。

这是 1 亿光年大小的室女超星系团:

本星系群只相当于它的一个角落。

不过幸运的是,银河系几乎就在室女超星系团边缘。

所以飞出室女超星系团,可能和飞出本星系群的时间相当。

当然,如果你想要横穿室女超星系团,飞船时间则是接近 5000 万年,地球时间则是超过 1 亿年。

这个时间,相当于人类与老鼠的共同祖先,再次不断演化,发展出今天的人类。

室女超星系团又是达到 5.2 亿光年大小的拉尼亚凯亚超星系团的一部分。

不过幸运的是,银河系同样在靠近拉尼亚凯亚超星系团边缘的位置。

它距离拉尼亚凯亚超星系团边缘 3000 万~6000 万光年,不妨取值 5000 万光年。

那么人类最快离开拉尼亚凯亚超星系团的飞船时间则是 2000 多万年,地球时间则是 5000 多万年。5000 万年是整个灵长类崛起的时间,2000 万年则是整个类人猿崛起的时间。

当然,如果你有野心横穿整个拉尼亚凯亚超星系团的话,那么对于地球时间来说,则是经历了 5 亿多年。

相当于再次经历一场寒武纪到今天的地球生物演化王朝。

对于如此长的时间跨度来说,庞大宇宙飞船上的人类也在不断演化。那个时候,他们和今天的人类早就已经面目全非,不仅仅是样貌,甚至是器官和我们都会大相径庭。

那个时候,他们已经不能算是人类。

当然,如果还能算是人类的话,人类这个词对应的分类学级别将超过人目,人纲,而是人门。

届时,如果人门真的能够飞出拉尼亚凯亚超星系团。

也意味着,人门早已经在宇宙中开枝散叶,在适应不同宇宙生态的过程中,演化成了各种各样的物种。

  • 例如,室女超星系团人亚门 - 本星系团人纲 - 银河系人亚纲 - 太阳系人目 - 留守地球人科 - 留守地球人属 - 留守地球人种。
  • 留守地球人为孑遗种,且独科、独属、独种。

所以,不用说拉尼亚凯亚超星系团了,人类可能永远就困在了银河系。

即便我们有可能超越距离,但依旧无法超越时间长河。