人類能離開 本超星系團(tuán)嗎？

思源

人類一直不停地更新著對(duì)世界的認(rèn)識(shí)。在古代，人們?cè)J(rèn)為自己是世界的中心，而太陽圍繞著地球旋轉(zhuǎn)。后來，人們漸漸發(fā)現(xiàn)了，地球不過是太陽系中的一顆行星，再后來，人類又逐漸有了銀河系的概念?，F(xiàn)在，我們已經(jīng)知道了，人類在宇宙中渺小如星塵，從地球、太陽系到銀河系，一層套著一層，并最終屬于本超星系團(tuán)，它和其他眾多的超星系團(tuán)一起組成了宇宙。

巨大的本超星系團(tuán)

銀河系雖然巨大，但也只是宇宙中的眾多星系之一。銀河系隸屬于一個(gè)由大約50個(gè)星系組成的星系群，仙女星系、銀河系和三角座星系是其中最龐大的三個(gè)成員，這個(gè)星系的大集合就叫做本星系群。在本星系群中，只有仙女星系和銀河系的體積相當(dāng)，其他的星系體積都要小得多。距離銀河系最近的兩個(gè)鄰居分別是大麥哲倫星云和小麥哲倫星云，它們的大小只有銀河系的十幾分之一。對(duì)比太陽系1光年的直徑，銀河系的直徑在10萬～20萬光年之間，本星系群覆蓋著一塊直徑大約1000萬光年的區(qū)域。

本星系群也并不特殊，它只是眾多星系聚合體中的一個(gè)，附近還有一個(gè)更大的星系團(tuán)——室女星系團(tuán)，這個(gè)星系團(tuán)囊括了數(shù)千個(gè)星系。實(shí)際上室女星系團(tuán)與我們所在的本星系群同處于一個(gè)更大的集團(tuán)之內(nèi)，這個(gè)集團(tuán)被稱作本超星系團(tuán)（或稱室女座超星系團(tuán)）。

本超星系團(tuán)由本星系群、室女星系團(tuán)、大熊星系團(tuán)以及其他50來個(gè)較小的星系團(tuán)和星系群構(gòu)成，它們共同構(gòu)成了一個(gè)巨大的扁平狀天體系統(tǒng)，整個(gè)本超星系團(tuán)的直徑約在1億～2億光年之間，但這比起許多其他超星系團(tuán)來，并不算很大。

如果我們將宇宙比作是一個(gè)游泳池，那么本超星系團(tuán)只有一個(gè)蘋果那么大，本星系團(tuán)就像一粒豌豆那么大，而銀河系大概還比不上芝麻那么大。

根據(jù)愛因斯坦相對(duì)論，有靜止質(zhì)量的物體的速度不能超過光速（30萬千米/秒），所以宇宙飛船頂多實(shí)現(xiàn)亞光速航行（飛船速度極其接近光速，但達(dá)不到光速），在這種情況下，飛船要飛行1億～2億年才能離開本超星系團(tuán)。2億年相對(duì)于地球來說，是相當(dāng)長的一段時(shí)間，但相對(duì)于整個(gè)宇宙的年齡來說，還不算太久。

航天器能走到哪？

當(dāng)我們?cè)诘厍蛏习l(fā)射一架航天器的時(shí)候，發(fā)射速度十分重要，因?yàn)樗鼪Q定了航天器能夠到達(dá)的位置。

曲率引擎可以使時(shí)空扭曲來推動(dòng)飛船的前進(jìn)。

歷史上，速度最快的航天器是1974年美國和德國聯(lián)合發(fā)射的太陽神1號(hào)探測(cè)器（用以研究太陽活動(dòng)），它的速度曾達(dá)到了96.2千米/秒。不過，2018年，美國宇航局發(fā)射了帕克號(hào)太陽探測(cè)器，它的最大速度達(dá)到了195千米/秒。但是這樣的比較不公平，因?yàn)橄虻厍蜍壍酪詢?nèi)發(fā)射的航天器可以借助太陽的引力獲得加速，而航天器向地球軌道以外發(fā)射需要克服太陽引力的拖曳。

在人類向外發(fā)射的航天器中，2016年，朱諾號(hào)木星探測(cè)器進(jìn)入木星軌道時(shí)，它相對(duì)地球的最高速度曾達(dá)到75千米/秒，當(dāng)然它所獲得的最高速度也有木星引力的功勞。如果只考慮從地球發(fā)射時(shí)的速度，最快的航天器是新視野號(hào)。2006年，新視野號(hào)的發(fā)射速度為16.26千米/秒，與第三宇宙速度非常接近，不過，它現(xiàn)在的速度降到了14.25千米/秒。

另外，目前只有4個(gè)探測(cè)器飛出了以柯伊伯帶為準(zhǔn)的狹義太陽系。其中最遠(yuǎn)最快的是旅行者1號(hào)，它于1977年9月5日離開地球，在飛離太陽系的途中，借助了木星和土星的幫助，目前對(duì)太陽的速度為16.77千米/秒。它現(xiàn)在距太陽112天文單位（地日距離），約0.001771光年。其他3個(gè)探測(cè)器分別是旅行者2號(hào)、先驅(qū)者10號(hào)和先驅(qū)者11號(hào)，它們雖然也飛出了狹義太陽系，但無論是在速度上還是距離上都比不過旅行者1號(hào)。

通過對(duì)比上面的數(shù)字，我們可以看出，現(xiàn)在航天器的飛行速度連第四宇宙速度（第四宇宙速度是指在地球上發(fā)射的物體擺脫銀河系的引力束縛，飛出銀河系所需最小初始速度，大約為110～120千米/秒）都很難達(dá)到，更別說亞光速了。而且最遠(yuǎn)的旅行者1號(hào)走了幾十年，其實(shí)還是在“家門口”。不過，從1957年人類發(fā)射第一個(gè)航天器以來（最早發(fā)射的航天器是前蘇聯(lián)的人造衛(wèi)星），實(shí)際上，航天器才發(fā)展了不到100年，誰也說不準(zhǔn)，接下來，科技是否會(huì)有巨大的進(jìn)步。

我們還有多長時(shí)間？

人類科技的發(fā)展速度是一件說不準(zhǔn)的事，按現(xiàn)在的情況看，似乎走出本超星系團(tuán)遙遙無期，人類能堅(jiān)持多久呢？我們能不能等到那個(gè)時(shí)候？而且整個(gè)宇宙的生命也是有限的，等到我們走出本超星系團(tuán)，宇宙還存在嗎？

在正常情況下，約45.5億歲的地球應(yīng)該可以再堅(jiān)持50億年。這個(gè)數(shù)字是由太陽的壽命決定的，太陽到50億年后將膨脹成紅巨星，那時(shí)地球?qū)⒈惶柾淌?。不過，地球環(huán)境正在逐漸惡化，資源也在逐漸減少，因此天文學(xué)家一直在積極尋找可以替代地球的宜居行星。從火星到位于4.24光年之外的比鄰星B，再到距地球1100光年的開普勒-442b，或許我們?nèi)钥梢栽诒境窍祱F(tuán)中輾轉(zhuǎn)生存。

設(shè)想中的反物質(zhì)火箭結(jié)構(gòu)圖

其次，空間一直在加速膨脹，這是由暗能量——一種克服萬有引力、產(chǎn)生斥力的神秘力量造成的。如果空間加速膨脹的情況持續(xù)下去，到了某個(gè)臨界點(diǎn)，萬有引力將不足以抗衡暗能量的斥力，行星會(huì)逐漸遠(yuǎn)離恒星。再繼續(xù)下去，構(gòu)成物質(zhì)的電磁力也將無法抗衡暗能量，物質(zhì)被細(xì)碎化，宇宙重新變成只有基本粒子的世界，這就是“大撕裂”。

有計(jì)算表明，大撕裂如果發(fā)生，它將發(fā)生在900億年以后，但是加速膨脹對(duì)超星系團(tuán)尺度產(chǎn)生影響的時(shí)間會(huì)更短。有人做了這方面的計(jì)算，最樂觀的估算是約370億年左右，大撕裂就會(huì)影響到本星系群。而在最悲觀的情況下，這個(gè)數(shù)字約為60億年。也就是說，我們至少要在這段時(shí)間內(nèi)掌握飛出本超星系團(tuán)的技術(shù)。

亞光速夠用嗎？

上文中，我們提到了宇宙的加速膨脹，證明本超星系團(tuán)的邊界其實(shí)一直在擴(kuò)張當(dāng)中，所以我們可能要重新回到速度上來。

本超星系團(tuán)的最大直徑（2億光年），用2億光年乘以哈勃常數(shù)，我們可以計(jì)算出本超星系團(tuán)邊界的彌散速度，約為4159千米/秒左右。通過這個(gè)數(shù)字推演，我們可以知道：在幾百億年內(nèi)，本超星系團(tuán)邊界彌散的速度不會(huì)超過光速（目前距離我們140億光年外的星系可能正在以超光速遠(yuǎn)離地球）。因此，亞光速航行肯定是夠用了。

1千克物質(zhì)從靜止加速到光速的99.9999%（亞光速），需要的能量大概是714千克物質(zhì)全部轉(zhuǎn)化成能量這么多（根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程得出），這些能量足夠全世界用電約100天。

如果人類要逃離本超星系團(tuán)，一個(gè)能裝載部分人類和生命維護(hù)系統(tǒng)的飛船的重量至少是空間站的百倍。目前中國空間站的重量在10萬千克左右，而國際空間站的重量是42萬千克左右。無論怎樣，我們使用的飛船最低質(zhì)量也要在1000萬千克（1萬噸）左右，需要的能量實(shí)在是太大了。

現(xiàn)在航天器加速的動(dòng)力還是來自于化學(xué)燃料燃燒，它能變換成能量的質(zhì)量不過是燃料總質(zhì)量的十億分之一左右?？茖W(xué)家已經(jīng)開始積極研究核聚變火箭了，美國核聚變火箭引擎研究小組預(yù)計(jì)2028年進(jìn)行核聚變引擎的首次試飛。不過，理論上，核聚變反應(yīng)的質(zhì)能轉(zhuǎn)化率僅為0.7%。

另外一種提供動(dòng)力的方法是反物質(zhì)火箭。當(dāng)粒子和反粒子相互接觸時(shí)，兩者瞬間湮滅，全部質(zhì)量都將100%轉(zhuǎn)化為能量，利用這種反應(yīng)釋放出的能量作為火箭推進(jìn)劑的就是反物質(zhì)火箭。但這方面的技術(shù)發(fā)展也不盡如人意，在地球上，科學(xué)家們需要通過粒子加速器來生產(chǎn)反物質(zhì)。以現(xiàn)在的技術(shù)，每生產(chǎn)10毫克（1毫克等于0.000001千克）正電子將耗資2.5億美元，而且它們只能存放在電磁場中保存。在這樣的情況下，我們可能得不償失。

最后一種提供動(dòng)力的方式是曲率引擎。曲率引擎可以使時(shí)空扭曲，它通過壓縮宇宙飛船前面的時(shí)空，令飛船后方的空間膨脹，以空間的變形來推動(dòng)飛船的前進(jìn)。因?yàn)榕で藭r(shí)空，航天器利用時(shí)空本身在移動(dòng)，所以它的一個(gè)好處是不受相對(duì)論的限制，飛船的速度可以超過光速，更快地到達(dá)目的地。如果使用曲率引擎加速飛船到10倍光速，我們到火星只需要75秒;航天器飛過奧爾特云（廣義太陽系），只需要約72天的時(shí)間;離開本超星系群的時(shí)間也會(huì)縮短10倍。但曲率引擎更像是科幻小說中無法實(shí)現(xiàn)的想法，因?yàn)闉榱耸箍臻g彎曲，至少需要將和木星一樣重的質(zhì)量（1.9×1027千克）轉(zhuǎn)化為能量。

人類到底能不能離開本超星系團(tuán)？如果一定要給出一個(gè)結(jié)論，那就是理論上是可行的，留給我們尋求方法的時(shí)間還充足;但技術(shù)上是不可行的，除非科技水平出現(xiàn)爆發(fā)性的進(jìn)步。