随着全球变暖的加剧，越来越多的科学家呼吁要珍爱我们的地球。但是，除了蜗居在这个小小的蓝色水星上，人类真的别无选择了吗？宇宙这么广袤，难道就没有别处可以安身吗？在很多科幻作品都有设想过人类走向宇宙或者外星人走向地球，比如阿西莫夫的《基地》，刘慈欣的《三体》，以及电影《星际穿越》等等。
笔者写这篇文章时也是突发脑洞，想要粗略估算一下星际旅行的可行性，以及畅想人类的活动范围进入宇宙尺度时，会遇见的各种新问题。文章的第一部分是基于相对论的对行星间运输所需耗费的估计，第二部分是讨论当行星间通信延迟达到很大时会出现的新情况，第三部分则探讨了人类最后的手段，即在宇宙中流浪，可能遇到的新问题。
行星间的运输
试想存在一个宇宙帝国，下辖多个殖民星，人们就有在殖民星间往返和货物运输的需求。
假设我们使用宇宙飞船，在两颗距离1光年的星球A和B间通行。宇宙飞船具有最高的能量转化效率（$E=mc^2$），即将物质转化为光，从尾部喷出形成推力。那么我们需要消耗多少物质才能将一个人送到对面的星球呢？以下的计算取光速 $c=1$.
假设从A到B过程中，加速和减速时间占比很小，人在飞船中感受到的时间流逝主要在平稳运行阶段，其原时间隔为 $T$。那么根据时间膨胀原理 $T = \sqrt{1-\beta^2} / {\beta}$，可以知道需要的飞船速度为
对于一个包含燃料总质量为$M$的宇宙飞船，它可以送达多少货物到对面的星球呢？我们可以先看加速阶段：假设完成加速后飞船和用于减速的燃料总静质量为 $m_0$， 动质量 $m’ = m_0 / \sqrt{1 - \beta^2}$，消耗的燃料质量为 $m_c$。那么根据能量和动量守恒，可以有如下方程：
得到宇宙飞船发射时的有效载荷比为
减速阶段可以看作在飞船参考系一个朝反方向的加速过程，因此最后到达目标星球的货物质量 $m$ 和发射质量 $M$ 间的比例为
将时间 $T$ 代入有效载荷比的计算公式，得到：
如果取 $T=1$， 那么有效载荷比为 $3 - 2\sqrt{2} \approx 0.172.$
对于这样一个式子我们可能没有一个形象的认识，那么试想将一个 80Kg 的人运送到距离1光年的星球上，保证原时间隔为1年，需要消耗多少物质呢？即便是最近的1光年，我们也需要消耗 466Kg 的物质制造能量，相当于1亿吨 TNT，7700颗广岛原子弹。下表列出了距离为$x$光年时，保证原时间隔为1年需要消耗的物质量：
| 距离(光年) | 物质消耗（Kg） | 等质量物体 |
|---|---|---|
| $10^0$ | $4.66 \times 10^2$ | 3台对开门冰箱 |
| $10^1$ | $3.21 \times 10^4$ | 1台T-34坦克 |
| $10^2$ | $3.2 \times 10^6$ | 1个装甲团T-34坦克 |
| $10^3$ | $3.2 \times 10^8$ | 2艘无畏号战列舰 |
| $10^4$ | $3.2 \times 10^{10}$ | 10倍美国海军总吨位 |
| $10^5$ | $3.2 \times 10^{12}$ | 世界2年钢产量 |
地球的质量约为 $5.97 \times 10^{24}$Kg，全部消耗作为动力大约可以支持一次单人单程100亿光年星球的旅行。然而我们可观测宇宙的直径大约为900亿光年，可见即便烧掉整个地球也不足以作一次宇宙环游。
星球间的时差
即便是一光年外的星球，信息一个来回的时差也会有两年。在霍金博士所著《时间简史》中也提到，虽然相对论能让飞船中的人在有生之年往返遥远的星系，但是却无法改变地球上时间的流逝。当旅行者们回到地球时，会发现他们的亲人早在几千年前就去世了。
动辄几年几十年的信息延迟，对于平均寿命不足百年的人类来讲，实在不可能接受。一个帝国要维持统一的治理，最重要的就是信息传递和军事力量投送。驿道就是中国古代帝国基础设施之一，它们承载着朝廷中枢与地方的信息传递以及军队调动的重任。一旦这些通道出现问题，紧接着的就是地方割据和帝国瓦解。
因此很有可能未来人类在各个行星间的殖民地，就像古希腊时的城邦一样，每一个星球就是一个城邦。而行星间的距离如此之远，可能新牛顿和新莱布尼茨创立新数学的时间，已经在物理上不能分辨先后了。
在宇宙中流浪
在写这篇博客的中途，恰逢《流浪星球》上映，完美地契合了这一节讨论的话题：由于物理定律和人类寿命的约束，无法在星际间建立帝国，人类只能选择整体流浪。
然而流浪时也有很大的问题，就是满足人类生存的能源从哪里来，以及人类活动造成的熵增该去哪里。
能源问题相对而言要容易解决一些，因为在人类能够进行星际旅行时，有大概率已经掌握了可控核聚变。即便如此，要维持人类社会的运转，还是要消耗十分可观的能量。我们现代社会的运转离不开能源，没有能源我们就不能维持工厂生产，不能制造化肥支撑农业。而这些能源追根溯源都是现在或过去到达地球的太阳能。太阳到达地球的能量功率为 174PW，如今世界年发电量为24PWh。太阳能功率大约为世界平均发电功率的6万多倍，因此人类以现在的技术想要维持地球的生态循环，还远远不够。不过如果达到最高能量转化率，每秒净消耗2Kg的燃料即可。
解决能源问题还不够支持太空流浪，我们还不能违背热二定律。有实验曾经试图在一个小的封闭空间中构建自给自足的生态圈，然而笔者认为这个封闭生态圈在仅提供充足能源的情况下是不可能实现的。因为如果它正常运转，就意味着从单一热源吸热做功而不产生额外效应。在现实中，地球通过从高温热源（太阳）吸热、向低温热源（宇宙空间）热辐射的形式持续获得负熵流，人类的飞船也得用类似的方式解决熵增问题，或者飞船本身就是地球。
纵观人类仅有的5000多年有文字记载的历史，我们还是更应该担心人类因为自己的愚蠢和贪婪，在太阳的暮年到来前就已经自取灭亡了。