科學史 人類文明的有生之年，有望走出銀河系嗎？

1903年10月9日 紐約時報刊登一篇評論 言之早早地寫道 飛行機器若要投入實用 需要機械工程師們合作一到一千萬年 九天之後 北卡羅來納州基地霍克的沙丘上 萊特兄弟的飛行者一號搖搖晃晃離開地面 在空中停留12秒 飛出36米 預言保質期不到兩週 這種打臉在科技史上屢見不鮮 19世紀末 開爾文勳爵宣稱物理學大廈已經落成 後人只需修補兩朵小烏雲 這兩朵烏雲後來長成了量子力學和相對論 把整座大廈推倒重蓋 1895年 同一位開爾文斷言比空氣重的機器不可能飛上天 八年後萊特兄弟用木頭 帆布和一臺自制發動機讓他成了笑話 1920年 紐約時報又嘲諷火箭先驅哥達德不懂中學物理 說他連真空中沒有反作用力都不曉得 50年後 阿波羅11號登月 這家報紙不得不公開登報道歉 這些故事聽起來讓人熱血沸騰 既然前人屢屢被打臉 那今天斷言人類走不出銀河系的人 會不會也被50年後500年後的事實狠狠打臉 先別急着樂觀 前面這些打臉故事打的是技術悲觀論 而我們要面對的是另一回事 先建立一點尺度感 銀河系是個棒懸星系 直徑10萬到18萬光年 厚度3000到1萬光年 盤面裏擠着2000億顆恆星 太陽只是其中一顆黃矮星 位於獵戶壁上 距離銀河系中心2.6萬光年 換句話說 即便我們想超近到垂直衝出銀盤 也要穿越至少5000光年的虛空 5000光年是什麼概念 光走一年是一光年約9.46萬億公里 光從太陽出發 跑500個地球年 才能摸到銀河系的天花板 打一個比方 在昆明一個足球場中央放一顆足球代表太陽 旁邊一粒小米代表地球 那麼離太陽最近的恆星比林星 是放在哈爾濱的另一顆足球 小米上的蟲子宣佈 它要傾盡所有飛去哈爾濱 沒有翅膀 沒有補給 路上還有光速 線速 還有無數星際塵埃和宇宙射線 這就是星際航行的難度 如果太陽有綠豆大 銀河系就有地球赤道那麼大 我們圖畫上看到的銀河系繁星點點 那是把恆星放大幾億倍的效果圖 真要有人能遠離銀河系回頭看一眼 它不過是一團淡淡的煙霧狀的圓盤 人類目前飛得最遠的探測器是旅行者一號 1977年發射 藉助木星和土星的引力彈弓加速 飛了40多年 速度每秒17公里 距離地球約240億公里 聽起來很遠 這連一光天的距離都不到 要飛出太陽系以奧爾特云爲界 約一光年半徑 旅行者一號還需要18000年 而它要垂直飛出銀河系銀盤 按這個速度需要5200萬年 注意 旅行者一號的速度是每秒17公里 第四宇宙速度 也就是掙脫銀河系引力束縛所需的最低速度 大約在每秒110到120公里 旅行者一號連這個門檻都沒摸到 它根本出不去 那把速度提上去呢 問題來了 宇宙有一條鐵律-光速 光速每秒約30萬公里 是宇宙中信息傳遞和物質運動的極限速度 這不是工程問題 是物理法則 愛因斯坦的狹義相對論告訴我們 任何有靜止質量的物體 速度越接近光速 所需的能量就越趨近於無窮大 要把一艘飛船加速到光速 需要整個宇宙的能量 這還只是加速一份載荷 根據動量守恆和廣義齊奧爾科夫斯基公式 要把一份載荷加速到足以進行星際旅行的速度 需要數千萬倍的工質 也就是推進劑 如果還要在目的地減速 這個倍數再平方一下 一艘重達一噸的飛船 要配上一顆小行星那麼重的燃料 化學火箭不行 核聚變也不行 反物質還是不行 動量守恆這條鐵律恆在那裏 任何工質推進都逃不掉 那不靠工質呢 無工質引擎 趨律引擎 重動 這些名詞聽起來很美 但都停留在理論甚至猜想階段 趨律引擎需要負能量密度物質 這種東西目前只存在於數學公式裏 重動需要奇異物質維持穩定 連存在與否都未證實 指望它們和指望修仙小說裏的傳送陣沒有本質區別 退一萬步 就算我們造出了光速飛船 銀河系直徑十萬光年 太陽離銀星2.6萬光年 走最短路徑衝出銀盤也要5000光年 光速飛船飛5000年 對地球觀察者而言才能摸到銀河系邊緣 這時候相對論的另一個效應登場了 中慢齒縮 飛船速度越接近光速 飛船上的時間流逝越慢 如果速度達到光速的0.9999999999998倍 洛倫茲因子是500萬 銀河系半徑在飛船乘客眼裏會縮短到0.01光年 來回只需3.65天 聽起來很美好是吧 別急 這三天半是飛船上的時間 地球上呢 地球會過去5萬年 等你三天半遊玩銀河系回到地球 人類文明是否還存在都是個問號 更別說你的親人朋友一個不剩 這就是相對論最殘酷的地方 遠航即永別 一旦踏上亞光速飛船 你和地球上的人就活在兩個時間切片裏 再見即是永絕 哪怕以1%光速航行 去往最近的恆星比鄰星也要40多年地球時間 這期間地球上的人該幹嘛幹嘛 等你到了 發個信號回來還要4年多 星際尺度下 通訊和旅行幾乎同意 所以光速這把鎖 鎖的不只是速度 更是人類文明的連接 就算派出一支艦隊征服了銀河系 由於信息傳遞不能超過光速 各個殖民地之間也只能是孤島 100光年內的還能偶爾聯繫 再遠就沒有聯繫的必要 你收到的消息是幾百年前發出的 發出消息的人早已化爲塵土 光速是宇宙給文明設的柵欄 把每個文明都關在自己的羊圈裏 永不相聞 光速是天花板 能量是地板 人類現在站在什麼位置 卡爾達肖夫等級把文明分爲三級 一級文明能利用所在行星的全部能量 二級文明能利用所在恆星的全部能量 三級文明能利用所在星系的全部能量 人類目前的等級樂觀估計是0.73 我們連一級都沒到 人類利用能源的方式 從鑽木取火到燒煤燒油 再到核裂變核聚變 本質上都是一回事 燒開水 燒植物屍體 燒動物屍體 也就是化石燃料 燒原子 燒原子核 區別只是燒的東西不同 但都是加熱水產生蒸汽推動渦輪發電 核聚變即便實現 也只是換個方式燒鍋爐 是量變不是質變 有人調侃 人類對核能的利用仍然停留在燒開水階段 這話一點不假 可控核聚變50年前 說50年實現 50年後還在說50年 這成了物理學界一個經久不衰的段子 氦-3儲量不夠用 月球上的氦-3全部開採出來 也只夠全人類用幾年 木星上的氦-3多一些 但開採成本和運輸成本是天文數字 把整個地球的物質全部轉化爲能量 也就是愛因斯坦那個著名的智能方程E等於mc平方 也不夠把一艘飛船送出銀河系 太陽系內所有可用物質加起來 撐死也就夠派幾艘無人探測器去比林星轉一圈 退一步說 就算技術問題都能解決 還有一個更根本的問題 動機 基於人的理性 所有事情都要計算成本與收益 走出銀河系這件事 付出與收穫完全不成正比 飛出去幾萬年 帶回來的信息要幾萬年才能傳回地球 那時候地球上還有沒有人接收都是問題 和走出銀河系相比 科技術更有可能在其他地方點亮大型人造宜居星球 物質與能量的可控相互轉換 意識與肉體的分離 大型虛擬實景人生 這些科技即便從今天的眼光看 對人類社會的效益也大大高於星際旅行 對任何可能的高度文明來說 星際探索都長期不合算 將長期處於邊緣愛好 所有高度文明都會得出這個結論 這可能纔是費米悖論的真正解釋 是真實的大過濾器不是文明被毀滅了 而是文明算過賬之後 覺得沒必要出去 宇宙的尺度過於宏大 物質過於稀薄 物理規則過於受限 光速太低 使得開拓宇宙失去意義 能夠走出太陽系的技術 完全更可能用於重建一個太陽系 哪怕是虛擬的太陽系 就算能量夠了 飛船造好了 人呢? 人是碳基生物 脆弱得令人髮指 體溫37度上下 上下浮動2度就難受 浮動5度要命 大氣壓力不能太大 不能太小 氧氣濃度低了窒息 濃度高了中毒 離開大氣層 沒有宇航服保護 幾十秒內 血液就會在真空中沸騰氣化 宇宙射線 太陽風暴 微隕石 隨便一樣都能要命 人類平均壽命七八十歲 百年已是高壽 而星際旅行動輒需要幾百年 幾千年 幾萬年 就算造出世代飛船 讓人類在船上繁衍 每一代人都要在封閉空間裏出生 成長 衰老 死亡 從未見過藍天白雲 從未呼吸過自然空氣 這種心理壓力 比生理壓力更可怕 還有知識傳承的問題 現代科學知識 已經爆炸到一個人窮其一生 也學不完一個細分領域 隨着知識積累 新生代要花越來越多時間 走到巨人的肩膀上 留給創新的時間越來越少 終有一天 一個人窮其一生 學習也只能重新走到巨人肩膀 再無餘力向上攀登 這時候 要麼靠腦機接口直接下載知識 要麼靠基因改造提升智力 但這兩條路 目前都還停留在科幻階段 樂觀派會說別這麼悲觀 科技爆炸不是沒發生過 確實發生過 從智人出現到走出非洲 用了幾萬年 從農業革命到工業革命 用了一萬年 從蒸汽機到內燃機 用了一百年 從內燃機到計算機 用了五十年 從計算機到互聯網 用了二十年 這條曲線越來越陡 讓人產生一種錯覺 科技會一直加速發展下去 但這是線性外推的謬誤 一個人五歲時一米高 二十歲時一米七 你不能據此推斷他四十歲時三米四 身高有上限 科技也有上限 至少有物理法則設定的上限 而且科技爆炸是例外 並非常態 舊石器時代持續了三百萬年 新石器時代一萬年 工業革命三百年 人類文明大部分時間是停滯的 甚至倒退的 羅馬帝國崩潰後 歐洲進入中世紀 技術倒退了一千年 中國明清兩代 科技也基本停滯 近三百年的科技爆炸 是多種偶然因素疊加的結果 文藝復興 宗教改革 地理大發現 科學革命 工業革命 資本主義 殖民掠奪 這些條件缺一不可 而且不可複製 每一次科技革命的前置條件 都在層層加碼 第一次工業革命 幾家小作坊 加幾個機械師 就能搓出蒸汽機 第二次工業革命 需要成千上萬家工廠 數百萬工人 第三次工業革命 也就是信息技術 需要全球產業鏈 數以億計的工程師 第四次工業革命 人工智能 生物科技 量子計算 當是任何一個國家 都無力獨自完成 把全人類砸進去 都不一定夠 基礎物理 已經停滯了將近100年 上一次物理學大突破 是20世紀初的 量子力學和相對論 之後都是在現有框架內 修修補補 弦論 圈量子引力 暗物質 暗能量 這些前沿理論 提了幾十年 實驗驗證遙遙無期 物理學界有一種說法 低垂的果子已經被摘光了 剩下的果子都在樹頂 需要搭極高的梯子才能摘到 而這把梯子可能根本不存在 技術之外 還有人的問題 人類這個物種 從樹上下來幾百萬年 骨子裏還是那個搶地盤 搶資源 搶交配權的領長類 部落戰爭 國家戰爭 宗教戰爭 意識形態戰爭 和平是偶然 衝突是常態 20世紀兩場世界大戰 差點把人類打回石器時代 冷戰期間幾次古巴導彈危機 人類離核毀滅只差一個按鈕的距離 就算沒有核戰爭 貧富差距 資源爭奪 環境破壞 人口爆炸 流行病 任何一個問題處理不好 都能讓文明倒退幾十年 甚至幾百年 馬斯克搞火星移民 說是給人類文明做備份 但備份到火星的 大概率也是同一套內鬥邏輯 有人調侃 讓一部分人先走出銀河系 先走出去的帶動後走出去的 最終實現共同走出銀河系 這話聽着耳熟 但比走出銀河系本身還魔幻 還有人更直接 人類需要的是工作八小時 而不是讓一部分人走出銀河系 這話說的扎心 但仔細想想 八小時工作制落實起來 可能真比走出銀河系還難 費米貝論問 一種解釋是 大過濾器 所有文明在發展到星際航行能力之前 都會因爲核戰爭 環境崩潰 人工智能失控等原因 自我毀滅 人類可能已經跨過了幾個過濾器 比如核武器發明後沒把自己炸了 但前面可能還有更多 還有一種解釋 更讓人絕望 光速就是宇宙給文明設的柵欄 任何文明都被鎖在自己的恆星系裏 永遠走不出去 宇宙裏可能擠滿了智慧生命 但大家都被光速關在各自的羊圈裏 永遠無法相見 我們隔着星海相望 永不相聞 除了這些宏大敘事 還有一種更隱蔽的滅絕方式 生育率 文明發達的地區生育率持續下降 文明欠發達的地區進入發達社會後 生育率也快速下降 如果高生育率族群保留不下來 人類可能不是被外星人消滅 而是自己把自己生沒了 這不是危言聳聽 日本 韓國 歐洲都在經歷這個過程 如果人類文明都無法延續 又談何走出銀河系呢 說了這麼多悲觀的話 是不是就沒希望了 也不全是 首先 走出銀河系這個目標本身 可能需要重新定義 如果非要一個自然人從地球出發 有生之年踏足銀河系之外的土地 那確實希望渺茫 但如果把人類定義爲 包括後代在內的整個文明譜系 那希望就大得多 十萬年前生活在非洲某個山洞裏的智人 一輩子沒走出過那座山 但他的後代已經上了太空 此刻正飄在天外 其次 人類未必永遠以現在的形態存在 探機肉體太脆弱 那就換一個容器 機械飛昇 意識上傳 基因改造 人機結合 這些方向雖然現在還停留在科幻階段 但理論上有可能實現 把意識數據化 通過電磁波以光速發送到宇宙各地 在目的地用機器人重建身體 這比派肉體飛船現實得多 當然 意識上傳本身是個巨大的哲學和工程難題 上傳後的你還是你嗎? 這又是一個推修司之船式的古老問題 但無論如何 上了岸的魚就不是魚了 星際時代的人類 大概率已經不是今天這個樣子的人類 說的直白點 人類能走出銀河系 但那時的人類已不叫人類 第三 可以搭便車 銀河系和仙女座星系 正在以每秒110公里的速度相互靠近 大約40億年後會相撞融合 如果人類文明能撐到那一天 銀河系會帶着人類走出銀河系 雖然走出的是融合後的星星系 更激進的方案是流浪恆星 用恆星發動機推動太陽本身 帶着整個太陽系去流浪 這聽起來像流浪地球的升級版 但理論上可行 只要能造出戴森球級別的能量收集裝置 還有人提出更巧妙的思路 用超級計算機分析銀河系內恆星的引力交互 找到那些註定會被彈射出星系的恆星 提前去那裏定居 搭一趟幾十億年的順風車 恆星是巨大長壽的能量來源 人類哪個反應堆能續幾十億年上百億年 有能量就好辦 恆星周圍的行星小行星 可比飛船上的有限資源豐富多了 第四 世代飛船的漸進殖民 南島人駕駛獨木舟橫跨太平洋 用了幾千年時間 一個島一個島的跳 最終佔領了從馬達加斯加到復活節島的廣闊海域 人類走向銀河系 可能也是這種模式派出一艘世代飛船 飛幾百年到達最近的恆星 建立殖民地 再從那裏派出下一艘飛船 每一代人走一小步 文明走一大步 智人走出非洲用了幾萬年 走出銀河系可能需要幾百萬年 但只要文明不斷絕 時間不是問題 第五 咱們還是先把太陽系搞明白 纔是比較實際的 登月 登火星 建月球基地 建火星基地 開採小行星 建立太空城市 這些是未來一百年內可能實現的目標 可控核聚變 亞光速飛船 世代飛船 這些是未來一千年內可能實現的目標 至於走出銀河系 那是未來一百萬年甚至一千萬年的事 飯要一口一口吃 路要一步一步走 連太陽系都沒走出去就討論銀河系 似乎有點像山河還沒到百萬分 就在想着百大領獎時該說些什麼 確實有些想多了 1990年2月14日 旅行者一號已經飛離地球60億公里 正準備駛向太陽系外緣 天文學家卡爾·薩根說服NASA 讓探測器回頭對着地球拍了一張照片 照片傳回後 地球只是一個懸浮在陽光散射光束裏的暗淡藍點 只佔一個像素 薩根看着這張照片 寫下一段話看看那個光點 那是這裏 那是家 那是我們 在它上面 每一個你愛的人 每一個你認識的人 每一個你曾經聽說過的人 每一個曾經存在過的人 都度過了他們的一生 旅行者一號永遠飛不出奧爾特雲 更別說銀河系 它攜帶着一張金唱片 上面錄着人類的問候 音樂 心跳聲 嬰兒啼哭聲 孤獨的始向星際空間 它可能永遠遇不到任何聽衆 但它代表的人類精神 那種明知不可爲而爲之 明知渺小卻仰望星空的精神本身就是答案 人類文明的有生之年 有望走出銀河系嗎? 也許有 也許沒有 但這個問題本身比答案更重要 因爲能問出這個問題 意味着人類已經不滿足於腳下的土地 開始仰望頭頂的星空 而仰望星空這件事 從智人第一次抬頭看銀河的那一刻起 就已經開始了 走出銀河系可能需要一百萬年 可能永遠做不到 但只要人類還在仰望 還在追問 還在造飛船 還在往天上扔探測器 希望就還在 哪怕那希望只有一粒小米那麼大