人类需要多久才能离开银河系？需要多久才能开发出反引力 ...

我太没有才了恼

如何构建超高速的宇宙飞船，可以实现一个月飞出银河系的速度？你们可以大胆的思考和想象，谢谢大家的各种意见和想象！

春和景明820

现在讨论人类离开银河系未免太早。不如想想是否能够把全部人类都送进太空。

把人弄到太空中并不容易。不考虑人口暴减的可能性，那么把所有人口发射到太空中去在物理上可行吗？甚至假设我们不用关心到了太空之后要去哪儿，我们就是想要离开地球。  




要想知道这么做是否可行，我们先要知道一个绝对底线：把一个人送到太空所需要的最低能量是 40 亿焦耳。不管你是用火箭或者大炮，还是用太空电梯或者梯子，把一个 65 千克重的人搬运出地球的引力范围至少需要这么多能量。  

40 亿焦耳是多少？这差不多是 1 兆瓦时（一个普通美国家庭 1～2 个月的用电量），或者 90 千克汽油所蕴含的能量，或者一个载满 AA 电池的货车所携带的电能。  




40 亿焦耳乘以 70 亿人口就是 2.8×10    18   焦耳，也就是 8 拍瓦时。这相当于全球年耗能的约 5％，总量确实很多，但也不是不可能凑齐这些能量。  

然而这 40 亿焦耳只是一个下限，在实际操作中还要看我们选用怎样的运输方式。如果我们打算用火箭，需要消耗的能量就远大于此。这是源于火箭科学中一个最为基本的问题：消耗的燃料也需要我们自己携带。  

我们先回到之前提到的 90 千克汽油的类比上来，因为这样能更好地解释这个宇宙飞行中的关键问题。  

如果你想要发射一个 65 千克的飞船，那么我们需要约 90 千克的燃料。我们把这 90 千克燃料搬上飞船，现在飞船的质量变成了 155 千克。155 千克的飞船需要 215 千克的燃料，因而我们需要再加 125 千克的燃料……  

幸好我们有方法摆脱每增加 1 千克的质量就需额外加 1.3 千克的燃料的死循环，应该注意到我们并不需要把所有的燃料都带到目的地，而是边飞边消耗燃料，这样飞船的质量就会越来越轻，加速所需的燃料也就越来越少。

但我们还是需要带够一定量的燃料，计算为达到给定速度需要多少推进剂的公式就是大名鼎鼎的齐奥尔科夫斯基火箭方程：  




初始质量和末质量分别是燃烧前后飞船加上燃料的总质量，而排气速度则是燃料燃烧后产生的气体喷出喷口时的速度，对火箭燃料来说这个速度在每秒 2.5～4.5 千米之间。  

这个公式中最重要的是速度变化量（也就是我们想要达到的速度）和排气速度（推进剂离开火箭时的速度）之间的比值。

如果想要离开地球，那么速度变化量在垂直方向上至少需要每秒 13 千米，但排气速度最大也就约每秒 4.5 千米，因而所需燃料重量和飞船总重量之间的比值至少为 e（13.5/4.5） ≈20。也就是说如果速度变化量和排气速度的比值为 x，那么飞船的质量每增加 1 千克，我们就需要携带 ex 千克燃料。  

随着 x 的增长，这个数字会变得非常庞大。  

使用 App 查看完整内容目前，该付费内容的完整版仅支持在 App 中查看
App 内查看

薛建朝

我们一步一步来飞啊。从能量级别的角度来说，从低到高，我们可以选择的是：化学能、裂变能、聚变能、湮灭能，以及无工质飞船。我们人类目前位于第一、二个级别：化学能——裂变能，我们下面一个个来看：
<hr/>一、人类目前最远的航天器——旅行者号
目前最远的人类飞行器是旅行者1号和2号，它的能源是钚238，发射时的功率为470W，根据钚238的半衰期，它的功率每年会损失0.79%。
旅行者1号途经土星时利用了引力弹弓效应，离开银道面，向上方的武仙座飞去。
而旅行者2号经过海王星以后向银道面下方驶去天狼星。
它们的速度大约为17km/s，而第四宇宙速度（银河系逃逸速度）为110-120km/s，看来它们出银河系的指望不大了。

旅行者号
https://www.zhihu.com/video/1240443278518452224
<hr/>二、靠质能转换能不能出银河系？
可控核聚变对于人类来说还是“永远还有50年”，从某种意义上，聚变能和湮灭能处于一个级别，只是后者的质能转换效率是100%，而前者较低而已。我们就优先考虑湮灭能，如果靠正反物质湮灭都出不了银河系，那么单纯靠核聚变燃料，也注定没有希望。



正物质和反物质湮灭，几乎将所有质量转化成能量

要进行星际旅行，当然是首先加速到亚光速，由于相对论效应，虽然地球人看到我们走了很长时间，但飞船上的航天员并不会感觉如此，因为他们的钟慢了。如果我们需要安全抵达某地，我们还需要经历一个减速过程。可以通过一定的数学计算，找到一个最优解，携带的燃料最低，这里我们就不多写了，因为多一个公式都会少一半的点赞~~~
有人计算过，即使考虑相对论效应，在人一生的尺度内进行星际旅行，使用湮灭能的话，需要携带的燃料如下：



不停留，而掠过某处



安全抵达某处，需要考虑减速

可以看出，即使是抵达我们银河系的中央，我们也需要携带将近100万吨的燃料，而要安全抵达仙女座星系，则需要42亿吨燃料。很容易理解的是，去往越远的地方，需要的燃料将以几何级数增长。看来，依靠核聚变、湮灭能，在本太阳系还能玩玩，要进行银河系的漫游甚至系外漫游，这玩意还是弱了点。


<hr/>三、巴萨德冲压引擎
上面的第二种方法似乎向人类关闭了一扇窗，就连我们现在苦苦攻克不了的“可控核聚变”都搞不定，那么路在何方呢？
但是有人挺机灵：“你傻啊！谁让你自带燃料啊！宇宙中不到处都是吗？”
1960年，美国物理学家巴萨德提出了一种冲压发动机，他在飞船头部设计了一个巨大的漏斗，其中有一个巨大的磁场，用以将星际尘埃粒子收集起来，传递到发动机内部，作为核聚变发动机的原料，核聚变产生的辐射作为动力从尾端发射出去。就这样，星际尘埃从拦路虎变成了原料仓库，而且是取之不尽用之不竭的。人们设想，有了这样的飞船，人类将很容易将飞船加速到亚光速。在人类的有生之年，星际穿越也不再是梦想。



幻想中的巴萨德冲压发动机飞船，星际遨游，你也可以的。有人能帮忙把图中的美国国旗P成五星红旗吗？

巴萨德发动机提出以后，吸引了很多科幻迷的目光，就连卡尔萨根也曾帮他站台。
有一部科幻作品《宇宙过河卒》（Tau Zero），讲的就是一个利用巴萨德发动机的飞船失控了以后，一直飞到了宇宙尽头，其中探讨了宇宙中的人性观、时空观，以及……男女观，的确很有意思。


然而也有人指出巴萨德发动机的不可行性：
1，近年来对太阳系周围的观测表明，星际介质密度的远低于预期。巴萨德发动机可能得不到那么多原材料。
2，经过仔细计算，将氢原子（或质子）压缩所需要的能量，远大于巴萨德发动机可以产生的能量！
但Daniel P. Whitmire在1975年的分析表明，巴萨德发动机可以不采用质子-质子链，而采用CNO循环获得净功率，后者效率是前者的10^16倍。
总之，虽然巴萨德发动机一直饱受争议，但科学家和科幻迷并没有对他弃疗，仍然试图通过着这种原理达到星际航行的目的。即使如此，想在几个月内离开银河系可能性也太低，因为它摄取燃料的速度实在太慢了，巴萨德发动机可能更加适用于大批人群在几十代几百代人的时间尺度下进行星际移民。


<hr/>四、流浪太阳——恒星发动机
还有更猛的，开飞船出银河系算什么本事，有本事咱“骑”着太阳出去！
这个想法最早来源于苏联科学家什卡多夫（Shkadov），他设想了一种Shkadov推进器。与其说这是一种发动机，不如说这是一面巨大的镜子，也就是给恒星照照镜子。
给恒星照镜子的后果是什么呢？显而易见，镜子反射的光线会给恒星施加一个单方向的光压，有人认为这个力产生的加速度虽然很小，经过长年日久的加速，恒星就会被我们推走，抵达很远的地方。



我们不过《流浪地球》，人家苏联人早就要流浪太阳了

是骡子是马拉出来溜溜，动笔算算不就行了吗？
以太阳为例，反射一半太阳输出的总推力为1.28×10^18 N 。一百万年后，这将产生20m / s的相对速度，与原始位置的位移仅为0.03 光年。十亿年后，速度将达到20 km / s，位移为34,000光年，仅是银河系直径的三分之一。


也有人说，你都能建这么大一面镜子了，还不如把太阳完全包裹起来，虽然没有单方向的推力，但我们可以完全获得太阳的辐射，干点什么不好呢？没事飞什么太阳呢？
没错，这就是戴森球了！大家都很熟悉，我就不多说了！


<hr/>看了那么多精彩的设想，也无法突破银河系，原因何在？原来，我们一直在工质上做文章，任何物质的能量在浩瀚的宇宙面前，都过于微不足道了！与其在工质上作文章，不如试试看能否改变宇宙参数！
有人可能要提虫洞，但这个可能过于危险，我们这里暂时不提，想了解的可以看下面的链接：
黑洞里面是什么？是另一个世界吗？是时候祭出最后的武器了：无工质推进——阿库别瑞引擎。


<hr/>五、阿库别瑞引擎
曲率引擎是以接近光速或超光速航行的一种方式，和“虫洞”等时空穿越的方法不同，曲率引擎通过改变时空的曲率而得到接近光速，甚至能够超越光速，这是真正的以高速连续穿过时空。



银河便车指南系列中的无限不可能引擎是另一种超光速的形式

最早提出类似设想的是德国人布克哈德*海姆，他曾尝试建立一种宇宙万有理论，以调和相对论和量子力学的矛盾。他的主要方法也很简单：增加维度。他曾希望用一个六维时空的框架，而从基本物理常数直接推导出粒子质量，据说结果很符合，但却很少被科学界接受。



最早提出海姆理论，并可应用于超光速航行的海姆

后来，有些人用海姆理论推导出暗物质和超光速航行，引起了很多科幻爱好者的关注，而且他们走的比科学更快更远，其中最有名的就是科幻片《星际迷航》系列。剧中描述了一个未来的平行宇宙，时间跨度大约从21世纪中期延伸至24世纪末。在这个平行时间线上，人类于21世纪中期爆发了一场几乎毁灭全球的第三次世界大战。战争结束后十几年，人类进行了第一次突破光速障碍的试验飞行——曲率推进（Warp drive），这意味着人类进入了曲速时代。人类通过曲率推进认识了外星种族瓦肯人，此后的五十年里，人类结束了自身的贫穷、疾病和战争，共同创建了星际联邦，进一步探索宇宙。原来，曲率推进给我们带来了一个如此乐观的未来。



NCC-1701-A进取号，两个筷子似的东西就是曲率推进引擎

《星际迷航》总共出了6部电视剧、1部动画片和13部电影，在后续的影片中，其中的曲率推进也被演绎的眼花缭乱。超光速已经够神奇的了，竟然还有9级，甚至9.9999级超光速，远超光速20万倍。
在《星际旅行：下一代》第七季电视剧“Force of Nature”中，发现了曲速航行对时空有不利影响，频繁使用曲速航行会造成空间裂缝。这一点也被刘慈欣的《三体3——死神永生》借鉴，书中被称为“航迹”和“死线”。
至于曲率引擎的工作原理，剧中如此描述：“正物质和反物质的反应产生的等离子体会使曲速机舱周边的空间几何结构发生变化，产生曲速场。”



《星际迷航》中曲率引擎的细节图

谁能想到，1994年，墨西哥物理学家阿库别瑞为这种超光速旅行背书了。他研究了广义相对论中爱因斯坦方程，提出了一个阿库别瑞度规（Alcubierre metric），这个度规符合爱因斯坦方程。它用一种波动方式展延空间，导致航行器前方的空间收缩而后方的空间扩张，前后所连成的轴向即为航行器的航行方向。
竟然是幻想在前，理论在后。究竟是科学引导了科幻，还是科幻启发了科学？



阿库别瑞

阿库别瑞度规有些独到之处，虽然它可以超光速，但飞船实际上处于一个平坦的“曲率泡”里，所以不会出现狭义相对论的尺缩钟慢等效应。飞船上的时钟和外界观察者的时钟一样，从观察者看来飞船的质量也没有增加，虽然飞船在他/她看来真的是在超光速航行。
阿库别瑞还指出：即使船在加速，它仍然是航行在自由落体的测地线上。也就是说，利用曲速来加速或减速的船永远处在自由落体状态，宇航员也感受不到一般加速下会出现的强大引力。庞大的潮汐力只会出现在“曲率泡”的边缘。
这实在是星际旅行，必备宝船啊！



曲率推进示意图：航天器前方的空间收缩而后方空间扩张。

刘慈欣的《三体》里面的曲率引擎就是这种阿库别瑞引擎，大刘用一个程心洗澡玩肥皂的故事将其原理更加形象的展示出来。原来，水面存在表面张力，对应于时空的张力，而肥皂（或其他表面活性剂）可以有效的降低小纸船尾部的表面张力，这种前后张力的不平衡，就会推动小纸船前行。



这个实验可以在家里做

回顾完历史，我们回到提出的问题：1000年内能发明出曲率引擎吗？
其实，关于这方面的研究已经在进行中了。
1996年，美国国家航空航天局（NASA）成立了突破性推进物理计划（Breakthrough Propulsion Physics Program, BPP），其中部分经费支援了曲速引擎方面的推测性工作，这项计划不知道取得了什么样的成果，最终项目在2002年中止。



NASA的曲率引擎飞船艺术图



也可以这么理解曲率引擎

对于阿库别瑞引擎的工作原理，科学家们也颇有异议。
虽然阿库别瑞度规在数学上是可行的，符合爱因斯坦方程，但其计算结果可能没有物理学上的意义，更无法等同于的能够建造出这种装置。
还有人指出，阿库别瑞引擎的暗示了负的能量密度，因此需要奇异物质才能使用，而这种奇异物质究竟是什么，我们现在一点概念都没有。
阿库别瑞曾经辩称，两个平行的板子之间产生的卡西米尔效应可以满足阿库别瑞引擎的负能量需求。但卡西米尔力是保守力，也就意味着真空零点能必须是有借有还的，根本无法为阿库别瑞引擎提供持续的动力。



卡西米尔效应不过是现代版“永动机”而已

人类与“永动机”的千年恩怨（四）：零点能？时间晶体？是科学还是科幻？还有人指出，虽然阿库别瑞度规没有违反广义相对论，但广义相对论并没有包含量子力学的机制。一些科学家因此认为，虽然广义相对论理论上也允许回到过去的时间旅行，但结合了调和了量子力学和广义相对论的未来的量子引力理论必须包含“时序保护猜想”，也就是说这种时间旅行根本不可能。


看样子，在物理学家发现量子引力理论之前，阿库别瑞引擎是真是假，还未可知呢。
不管怎样，人类还将在科学的道路上继续攀登，所以一步一步来才是正道。在曲率引擎之前，我们还有很多事情要做呢。

<hr/>华丽总结：
曲率引擎能否研发出来，要看未来的量子引力理论。如果未来的量子引力理论不支持阿库别瑞度规，那么阿库别瑞曲率引擎一万年也搞不出来，或者需要去找新的方程的解，发明其他原理的曲率引擎。
如果阿库别瑞度规也可以很好的被包括在未来的量子引力理论中，那我对人类有信心！
在另一个平行宇宙的《星际迷航》里，曲率引擎是在2063年初次试飞的。我想，本平行宇宙里的我们，不会比他们差太远吧？
如何理解平行宇宙？
参考：
1，http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/SR/Rocket/rocket.html
2，https://www.centauri-dreams.org/2014/06/25/sagans-andromeda-crossing/
3，https://en.wikipedia.org/wiki/Bussard_ramjet
4，https://en.wikipedia.org/wiki/Intergalactic_travel#cite_note-17
5，https://en.wikipedia.org/wiki/Stellar_engine
6，https://www.centauri-dreams.org/2013/11/26/moving-stars-the-shkadov-thruster/

在涅诒

比起说这个，还是先考虑低成本行星际运输手段，在太阳系内部建立几个永久殖民地吧！
在资本主义体系下，只有能带来商业利益的技术才可能发展下去。

了看允侥

银河系由三部分组成：核球（central bulge）、银盘（galactic disk）、银晕（halo）。核球和银盘是物质最密集也是造星活动最频繁的区域，银晕则指的是包裹整个银河系半径约546万光年的、主要由稀疏的气体和红矮星构成的空旷地带。题主说离开银河系，我就假设是离开银盘了。
银河系可见部分的直径是三万七千秒差距（1秒差距/pc＝3.26光年/ly），而银盘的厚度只有0.6kpc（或19560光年）。所以，要离开我们所在的银盘，最便捷的办法是往垂直于它的方向走。
怎么走？
常规的依赖于牛顿第三定律的推进方式是肯定不可行了，因为只要是在空间里移动，必然受到相对论的影响。相对论指出：“当物体的速度接近光速，其时间流速会比外面要慢”、“将物体加速到光速会需要无穷大的能量”。以下是计算过程（可以略过不看）：

银河系将在45亿年后与仙女座星系相撞，将4.5x10^9 年作为离开银河系的期限；
银盘厚度19560光年，假设我们在正中心，要离开银盘需要跨越19560÷2＝9780光年的距离；
以光速跨越这段距离需要9780年。注意：这个时间是在地球的参考系内的时间。
套相对论的时间膨胀公式：

当v无限接近c，分母无限接近0，t’ 接近正无限。从地球的参考系上看，飞船要花t'＝9780年飞出银河系，可是飞船上的时间t几乎没有流逝；然而从飞船的参考系看，地球是在运动的，所以要反过来，变成地球时为t＝9780，飞船时为t'＝无限长，所以飞船永远看不到自己飞出银河系。

思考题：经过无限长的时间，飞船是否还会存在？

结论：即使人类真的有无穷大的能量将一艘飞船加速到光速，飞船
即使真的发生像其他答主说到的技术爆炸，这些经过实验验证的客观规律是不会被改变的。

扩展阅读：μ子的衰变。

所以，要想离开银河系，必须发展出基于空间本身的太空旅行技术，比如曲速/曲率引擎，比如虫洞。这些东西什么时候发展出来了，什么时候人类才有希望离开银河系。

<hr/>刚查了下几个期刊，似乎这方面没有动静。
慢慢等吧。
<hr/>以下为补充内容：
刚刚有位朋友的评论提醒了我，用基于牛顿力学的推进方式的话，一定要达到光速吗？
我仔细想了想，其实可以不用，但时间上的代价是巨大的。这篇回答的重点在于否定使用传统推进方式离开银河系的可操作性，所以接下来（并不是那么严谨的）论证将围绕这一点进行。以下内容为粗略估计，仅供参考。

已知银河系的第三宇宙速度约为550km/s（Google搜的，懒得查文献。下同），太阳系环绕银河系速度约220km/s，太阳系第三宇宙速度约为41km/s，地球环绕太阳速度约29.7km/s，地球第三宇宙速度约为11.2km/s。
假设飞船从地球发射（如果要说从别的地方发射也行，代入不同的数据算就是了），直接进入逃逸轨道，离开地球SOI后加速逃逸太阳系，然后银河系。那么，可以认为每次逃逸时的速度有一部分来自之前星体的环绕速度。
得：逃逸地球时消耗速度增量（用△v表示）=11.2km/s；逃逸太阳时消耗△v = 太阳系第三宇宙速度 － 地球环绕太阳速度 = 11.3km/s，同样方法得出逃逸银河系时消耗△v = 330km/s。
全部加起来，飞船大概需要输出352.5km/s的速度增量。

使用引力弹弓的情况我不会算，没考虑，咱就假装其他行星不存在、地球没有大气层、飞船轨道平面与银河系自转平面完美平行、在经过其他恒星的时候完全没有受到任何引力干扰、也不需要修正航线。速度增量利用率无限接近于100%。
相对论效应会对发动机排气速度造成什么样的影响我也不知道，暂时假设没有影响。

套齐奥尔科夫斯基火箭方程简化版（推导过程略）

ve是排出工质的速度，右边的分式是质量比，可以简单理解成飞船空重和干重的比值，上面比下面大越多，△v越大。但是，实际操作中质量比不可能无限大，毕竟发射火箭不是光发射燃料上去的。

咱们将排气速度推到满，300000km/s，也就是光速。已知△v，已知ve，求质量比。
答案非常接近1。考虑到上面这些数字是四舍五入过的，我觉得直接说干质比为1没问题。

emmm……自打脸
/扶额