1、2、3、4——衝向宇宙

很多很多很多年之後，一艘來自另一個星系的飛船降落在地球。一組外星科學家從飛船上走下來。他們的任務，是調查這個名為「人類」的種族在這顆看起來不尋常的藍色行星上有著怎樣的歷史。

他們利用特殊的技術，搜索出了一些特別的文件和資料，窺探到了人類歷史的一角。一些科學家在收集的證據旁做了筆記，「人類為自己起名Homo sapiens，他們似乎是個非常具有冒險精神的物種。人類的大歷史，仿佛就是一段不斷突破空間極限的故事」。

1. 走出非洲……嗎？

人類對自身起源的研究在1987年迎來了一次重大的突破。加州大學伯克利分校的一群遺傳學家，測序了來自147人的線粒體基因組，這些人來自世界各地。細胞中的線粒體遺傳只來自母親。人類科學家發現，所有這些人都是一位女性的後代，據粗略推斷，這位女性大約生活在約20萬年前（外星人註：時間都以人類紀元計算）。一些人將這位女性命名為「線粒體夏娃」（Mitochondrial Eve）。

這是一項頗具影響力的研究。很快，它與其他一些發現一同被整合進了「走出非洲」的說法中。在那個時代，人類認為現代人是在約15萬至20萬年前的某個時期生活在非洲，隨後從非洲出走，徵服了全世界。

然而，這似乎只是一個階段性的成果。隨著人類古DNA技術方面的飛速發展，有關人類起源的學說同樣日新月異。人們開始發現，古人類的進化歷史並非是一條簡單的線，它甚至不能說是一棵「進化樹」。在數萬年前，與智人同時代的至少還有尼安德特人、丹尼索瓦人等多個人屬物種，不同人類物種之間的發展線交匯穿插，錯綜複雜。

人類真的是來自非洲嗎？還是全球多地起源？「我們還得要找到更多證據。」外星科學家這樣備註道，「但無論如何，人類從最初就和其他兄弟物種競爭，並最終贏得了勝利，佔領了地球。這或許足以說明，從一開始，他們就是一個具有冒險精神的好勝物種。」

2. 走向太空

這種猜想被他們的另一個發現證實。1957年10月4日，蘇聯成功發射了斯普特尼克1號衛星，成為人類歷史上第一顆人造衛星。

這讓外星科學家開始好奇：人類從什麼時候發現引力的秘密的？

仔細想想，引力是相當複雜的。在地球表面下落的球與繞地球運行的月球，在本質上所受的力是一樣的，然而看上去又如此不同。最令外星科學家吃驚的是，人類竟然發現了這個奧秘！

他們發現，早在17世紀，一位名叫艾薩克·牛頓的人就揭示了這兩種看似不同的力之間的關係。牛頓把行星（和衛星）的運動和地球表面物體的運動聯繫在了一起。他用一個思想實驗解釋了這一聯繫，也就是著名的「牛頓大炮」。

牛頓在《論世界的系統》（A Treatise of the System of the World）中展示了這個思想實驗。在18世紀出版的《論世界的系統》英文譯本中有這樣一張圖，表明在地球表面移動的物體最終可能成為繞地球運行的物體。牛頓想像了這樣一個場景：一發超高速炮彈從一座超高的山上被發射了出來，這顆炮彈的實際射程會比普通炮彈更遠；如果發射得足夠快的話，這顆炮彈甚至可以完全「錯過」地球，進入近地軌道。

足夠快是多快？人們藉助了一些基本的物理知識來解決這個難題。「炮彈」在軌道上繞行時，引力充當了它的向心力。如果假設軌道半徑約等於地球半徑R，那麼根據力的平衡，

也就是說，想要「炮彈」不會掉落回地面，那麼它從炮筒中被發射出來時，速度至少要達到7.9km/s，這可以理解成人類走出地球的「最低標準」。它也被稱為第一宇宙速度（v1），或者環繞速度。

這個結果對於外星科學家來說並不陌生，但牛頓在他那個時代就弄清了萬有引力這一點，著實讓外星科學家吃了一驚。

3. 衝出地球

人類突破空間的嘗試沒有止步於發射環繞地球的衛星。20世紀中後期，不同國家之間進行了長達數十年的「太空競賽」，在那樣的背景下，人類爭相希望成為第一個走進更深太空的人。

1959年1月2日，月球1號發射，它成為第一個接近月球的人類探測器，也是第一個擺脫地球引力的人造太空飛行器。

理論上來說，「牛頓大炮」同樣可以做到這一點。從能量守恆的角度，這個過程可以簡化成：想要擺脫地球引力的束縛，就需要為「炮彈」提供足以抵消勢能的動能，當兩者恰好抵消時，就滿足了「逃離地球」的最低要求。

這個速度被稱為第二宇宙速度（v2），或者逃逸速度。也就是理論上物體擺脫地球引力束縛，飛離地球所需的最小初速度。當然，在實際的發射中，情況要複雜得多。地球包含厚厚的大氣層，因此還需要將阻力等能量損失納入考量。因此第二宇宙速度只能被看作為一個等價的理論值。

「在基礎科學的很多方面，人類的理解與我們幾乎是一樣的。」外星科學家寫道。

4. 走出太陽系

從發射第一枚人造衛星起，「人類宇宙大航海」的時代就被拉開了序幕。人類不僅把太空人送上了月球，還走向了太陽系的其他行星兄弟姐妹。人們認識到，如果「牛頓大炮」的速度再快一些，太空飛行器不僅能擺脫地球引力，甚至可以成功逃脫太陽的引力。

由於太陽質量（Msun）比地球大得多，因此所需的逃逸速度（ve）也要大得多，這個速度至少要達到42.1 km/s。但「幸運」的是，從地球上射出的炮彈，本身獲得了來自地球公轉的初始速度（29.8km/s）。從動能的角度來看，只需要在第二宇宙速度的基礎上，再擺脫額外速度（Δv = 42.1 - 29.8 = 12.3km/s）帶來的動能就可以了。

這就是第三宇宙速度（v3），也被稱為太陽逃逸速度。

「截至21世紀初，一個名為NASA的人類太空機構先後發射了5個向太陽系外進發的太空飛行器，分別是20世紀70年代發射的先驅者10號和先驅者11號、旅行者1號和旅行者2號，以及21世紀初發射的新視野號。」這也引起了外星科學家的好奇，「我們真應該找一找這些太空飛行器現在飛到哪裡了。」

5. 更遠、更高、更深

外星科學家非常清楚，根據類似的原理計算，如果地球上發射的太空飛行器的速度還能更高一些，那麼它們不僅能擺脫太陽系的束縛，還可以擺脫銀河系的引力束縛，飛出銀河系。因為這正是他們從其他星系來到銀河系的方式。這樣的速度也被稱為第四宇宙速度。

但在21世紀初，人類對銀河系大小和質量的了解還十分有限，根據當時的一些粗略的估計，等價的第四宇宙速度應該要超過500km/s。但對人類來說，這還完全停留在理論階段。

不過，即使是在地球上，人類也沒有停下腳步。同樣在21世紀初，科拉超深鑽孔已經達到了12263米的深度，按照垂直深度計算，它是當時達到地球最深處的人造物；杜拜的哈利法塔是當時世界第一高的人工構造物，高828米。人類探測器多次下潛到最深的馬裡亞納海溝超過萬米深度，一批又一批的探險家徵服最高峰珠穆朗瑪峰。

「真是一個充滿野心的物種。對人類來說，極限存在的意義似乎就是不斷挑戰極限。」

參考來源：

https://www.newscientist.com/article/mg24532760-800-human-evolution-the-astounding-new-story-of-the-origin-of-our-species/

https://www.wired.com/story/what-would-it-take-to-shoot-a-cannonball-into-orbit/

http://www.spacechina.com/n25/n148/n272/n4785/c103466/content.html

https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=1959-012A

https://www.smithsonianmag.com/smithsonian-institution/ask-smithsonian-whats-deepest-hole-ever-dug-180954349/#:~:text=The%20Kola%20Superdeep%20Borehole%20was,found%20at%20four%20miles%20down.

插圖來源：Wikicommons/University of Oklahoma

封面圖來源：Pixabay