費米悖論

悖論形成

最初疑問

費米悖論最初的想法并不是由費米提出的，而是出自康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基于1933年所作的一份未經(jīng)發(fā)布的手稿2。他這樣寫道：“人們否認(rèn)了外星文明的存在，因為，如果外星文明真的存在的話，應(yīng)該會發(fā)生兩件事情：一是它們應(yīng)當(dāng)拜訪過地球了，二是它們應(yīng)該向我們發(fā)出過一些它們存在的信號?！?/p>

至此，這個問題并沒有形成悖論，而只是一個簡單的假說演繹。因為基于我們尚未發(fā)現(xiàn)外星文明這一事實和齊奧爾科夫斯基的理論，我們應(yīng)當(dāng)?shù)贸龅慕Y(jié)論是“宇宙中不存在地外文明”，并不會產(chǎn)生矛盾。

提出矛盾

直到1950年，費米與他的同事們談話時聊到了外星文明在哪里這一問題3。他們同樣想到，如果存在外星人，那么人類應(yīng)該已經(jīng)發(fā)現(xiàn)過外星人了。但與齊奧爾科夫斯基不同，費米在討論之后進(jìn)行了簡單的計算，并提出外星文明存在的概率是很大的。因此，這個問題成為了一個悖論。

在費米去世后，上述內(nèi)容被他的同事發(fā)表，這個悖論也被稱為費米悖論。

悖論刻畫

我們可以看到，費米悖論最重要的兩個矛盾論點是：

1.銀河系中應(yīng)當(dāng)存在大量的外星文明

2.我們沒有觀測到外星文明的跡象

那么對于第一個論點，我們?nèi)绾稳プC明或者證偽它呢？

德雷克公式可以很清晰的描述這個問題

德雷克公式的形式如下：

N=Ng×Fp×Ne×Fl×Fi×Fc×FL

左側(cè)的N表示現(xiàn)在銀河系中應(yīng)當(dāng)存在的可被觀測到的地外文明數(shù)量，右側(cè)的前三項表示銀河系行星總數(shù)，后面幾項則表示多級條件概率，將外星文明誕生并發(fā)出信號所需的每一步概率相乘得到一個總概率。

Ng：銀河系內(nèi)恒星數(shù)目；

Fp：有行星的恒星占所有恒星的比例；

Ne：恒星周圍類地行星的平均個數(shù)；

Fl：類地行星上演化出生命的概率；

Fi：從原始生命演化至高智生命的概率；

Fc：高智生命發(fā)出能被人類文明所觀測的信號的概率；

FL：科技文明持續(xù)時間在行星生命周期中占的比例；567

方程中的每一項所代表的含義都是層層遞進(jìn)的，基本思路是計算“在上一個條件被滿足的情況下，下一個事件發(fā)生的概率”。

而整個德雷克方程具體化了外星文明存在的概率，因此我們可以通過研究每一項的概率來探討外星生命是否存在這個問題。

然而我們要注意到，這個方程中的很多概率實際上幾乎是無法測量或計算的。德雷克寫出這個方程并不是真的希望使用這個方程求出銀河系中地外文明的數(shù)量，而只是借助這樣一個數(shù)學(xué)表達(dá)式來明確我們在研究外星文明時的問題，提醒我們探討費米悖論的第一個論點時應(yīng)當(dāng)考慮到哪些因素。

這個方程還有另一種表述方式：

N=R*×Fp×Ne×Fl×Fi×Fc×L

R*：銀河系形成恒星的平均速率；

L：科技文明壽命；

它與第一個方程的區(qū)別僅僅是通過數(shù)學(xué)變換將Ng×FL換成了R*×L，它們并沒有什么實質(zhì)性的區(qū)別，只是將討論的具體對象由銀河系恒星總數(shù)變成了銀河系恒星形成速率。

當(dāng)然，德雷克方程不僅僅可以用于研究費米悖論中的論點一，還可以幫助我們更好地詮釋費米悖論。德雷克方程可以分為兩部分，Ng×Fp×Ne×Fl×Fi×FL和Fc，準(zhǔn)確來說只有第一部分討論的是外星文明的存在性，而第二部分是基于外星文明存在的基礎(chǔ)上，外星文明發(fā)出可觀測信號的概率，這一部分實質(zhì)上是費米悖論的內(nèi)在邏輯——只要外星文明存在就應(yīng)當(dāng)被我們觀測到。

如前文所述，有了德雷克公式，人們就可以通過估算德雷克公式中的每一個概率來估計外星文明存在的概率。如果通過德雷克公式估算出外星文明的存在量很大，說明按照這種估計方法理應(yīng)存在足夠數(shù)量的可被觀測的外星文明，費米悖論的解決也就應(yīng)當(dāng)從其它角度去思考。當(dāng)然，也有很多理論就是通過降低德雷克公式右側(cè)的某個概率，來證明外星文明可能并不存在，從而解決費米悖論。

正式提出

1975年，哈特在皇家天文社會學(xué)學(xué)報上發(fā)表論文《關(guān)于地球上地外文明缺席的解釋》，首次把費米悖論作為一個嚴(yán)肅的概念來討論。

哈特的文章獲得了出奇高的關(guān)注率，大量的科學(xué)家開始積極關(guān)注費米悖論并提出自己的意見。以觀點激進(jìn)而聞名的蒂普勒極力主張用一種理論上能進(jìn)行自我復(fù)制的“馮·諾依曼探測器”來代替無線電搜索。格瑞恩則認(rèn)為德雷克公式的各項參數(shù)設(shè)置存在缺陷，并在論文《大沉默：關(guān)于地外智慧生命的爭論》中提出補充建議。 4

主要形式

由前文可以看出，費米悖論所描述的是“人們沒有觀測到地外文明存在的跡象”和地外文明存在的高概率之間的矛盾，而文明存在的跡象可以有很多種，因此費米悖論就可以通過很多形式進(jìn)行表示。

費米悖論主要可以表述成兩種形式。一種是“為什么沒有發(fā)現(xiàn)外星人或者外星物品？”如果星際旅行是可行的話，即使是用人類造的飛船這樣緩慢地旅行，也只需要5百萬到5千萬年就可以航行到銀河系邊緣。就算不考慮宇宙尺度，在地質(zhì)學(xué)尺度上這也是一個相當(dāng)短的時間。因此，我們沒有發(fā)現(xiàn)外星人或外星物品這一事實本身就可以體現(xiàn)費米悖論；同時，宇宙中存在很多年齡比太陽更大的恒星，這就意味著外星智慧生命可能進(jìn)化得更早，因此費米悖論的另一種表示形式就變成了“為什么星系還沒有被殖民”。即使殖民對所有外星文明來說都是不合實際的或者是不想去做的，大規(guī)模的星際探索也應(yīng)該是有可能出現(xiàn)過或正在進(jìn)行的。但到目前為止，沒有任何關(guān)于殖民和探索的證據(jù)得到承認(rèn)。3

悖論基礎(chǔ)

悖論的基礎(chǔ)是對悖論中互相矛盾的論點及悖論的邏輯進(jìn)行論證。我們解決悖論時，也要從這兩個點入手進(jìn)行思考。

具體到費米悖論就是：“外星文明大量存在”“我們沒有探測到外星人”這兩個事實，以及“外星文明存在就應(yīng)當(dāng)被我們觀測到”這個邏輯。

費米悖論的第一個基礎(chǔ)，即尺度問題，是一個數(shù)量級估計：銀河系大約有2500億（2.5 x 1011）顆恒星，可觀測宇宙內(nèi)則有700垓（7 x 1022）顆。即使智慧生命以很小的概率出現(xiàn)在圍繞這些恒星的行星中，那么僅僅在銀河系內(nèi)就應(yīng)該有相當(dāng)多數(shù)量的文明存在。這也符合平庸原理的觀點，即地球不是特殊的，僅僅是一個典型的行星，具有和其他星體相同的規(guī)律和現(xiàn)象。

費米悖論的第二個基礎(chǔ)是對尺度觀點的答復(fù)：考慮到智慧生命克服資源稀少性的能力和對外擴(kuò)張的傾向性，任何高等文明都很可能會尋找新的資源和開拓他們所在的恒星系統(tǒng)，然后是涉足鄰近的星系。但在宇宙已經(jīng)誕生138億年之久這個條件下，理論上足夠高等文明進(jìn)行擴(kuò)張到足以被我們觀察到的程度，然而我們卻沒有在地球或可觀測宇宙的其他地方找到其他智慧生命存在的切實可靠的證據(jù)；因此，可以認(rèn)為智慧生命是很稀少的，或者說我們對智慧生命的一般行為的理解是有誤的。8

實驗探索

探索思路

悖論的存在，說明我們的假設(shè)或者邏輯存在錯誤，因此我們的實驗探索也將集中在這兩個方面。目前為止，人類對費米悖論做出的最好的實驗探索集中于嘗試發(fā)現(xiàn)外星文明，這是最直觀且具有高可行性的實驗方式。因此本節(jié)主要討論外星文明探索這一方面，而通過其它思路去解釋費米悖論的理論將在下一節(jié)中說明。

自1960年來人們就有各種各樣的嘗試，并且很多項目仍在進(jìn)行之中。因為人類沒有星際旅行的能力，所以這種探索只能是遠(yuǎn)距離進(jìn)行的，而且要求對細(xì)小的線索做仔細(xì)的分析。

這種限制導(dǎo)致我們只能去探索那些對環(huán)境造成顯著影響的文明，或者是產(chǎn)生了能接收遠(yuǎn)距離探測的信號技術(shù)的文明，比如射電輻射。而沒達(dá)到相應(yīng)技術(shù)水平的文明3在不遠(yuǎn)的未來不太可能被地球探測得到。

值得注意的是，尋找地外文明要注意避免過于以人類為中心去看待線索。我們總是習(xí)慣地以為，探測到的現(xiàn)象會與人類活動能夠產(chǎn)生的現(xiàn)象相似，或者會和人類獲得先進(jìn)科技之后能產(chǎn)生的現(xiàn)象相似。然而，智慧外星生物的行為可能不符合我們的預(yù)測，或者以對人類來說完全新穎的方式表現(xiàn)出來。

下面是一些著名的項目：

SETI計劃

SETI計劃是Search for Extra-Terrestrial Intelligence的縮寫，意為搜尋地外文明。該計劃由美國天文學(xué)家德雷克于1960年開啟。這個計劃希望通過對射電信號的解析來探測地外文明。首先在大量的射電信號中嘗試尋找“非自然”的信號，如果這類信號存在，則有可能是地外文明發(fā)出的，我們就可以繼續(xù)對這個信號及其發(fā)射位置進(jìn)行更細(xì)致的研究，嘗試發(fā)現(xiàn)地外文明。這個計劃開啟后，不斷有世界各地的射電望遠(yuǎn)鏡加入該計劃，位于中國貴州的世界上最大口徑的射電望遠(yuǎn)鏡——五百米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST）也于2020年4月加入了該計劃。

由于這項計劃需要從大量的射電數(shù)據(jù)中判斷是否存在地外文明信號，因此這項計劃對計算機(jī)的算力需求很大。于是SETI團(tuán)隊在1999年發(fā)起了SETI@HOME項目，發(fā)動廣大群眾加入到地外文明探索項目中。在客戶安裝指定軟件后，它就會在客戶不使用計算機(jī)的時候利用計算機(jī)的算力解析數(shù)據(jù)，而這時用戶的計算機(jī)屏幕會通過屏保界面顯示正在處理的數(shù)據(jù)。

突破攝星

突破攝星（Breakthrough Starshot）計劃指以近距離拍攝其它恒星系的方式來“突破”沒有發(fā)現(xiàn)外星人這一事實，由英國物理學(xué)家史蒂芬·霍金聯(lián)合俄國投資人尤里·米爾納于2016年4月宣布啟動的。該計劃首先要將數(shù)千個僅有郵票大小的小型太空飛船發(fā)射入地球軌道，然后通過激光加速將其加到約20％光速的高速狀態(tài)，并將它們對準(zhǔn)其它恒星系，拍攝其它恒星系的照片后，通過激光傳回地球，從而判斷地外文明是否存在。

突破聆聽

突破聆聽（The Breakthrough Listen）計劃意為通過聆聽其它恒星的信號來“突破”沒有發(fā)現(xiàn)外星人這一事實。該計劃同樣由霍金提出，并由尤里·米爾納出資支持。這項計劃使用世界各地大型望遠(yuǎn)鏡監(jiān)聽臨近地球的100萬顆恒星，從這些恒星的電磁波信號中解讀出可能證明地外文明存在的信息，進(jìn)而證明它們的存在。

解釋方法

在物理學(xué)家史蒂芬·韋伯于2002出版的《地外文明在哪兒？》一書中，列舉了費米悖論的50種解決方案，主要可以歸納為以下三個方面

一、宇宙中不存在別的文明。

二、外星文明是存在的（或曾經(jīng)存在過），但它們迄今為止還無法和我們接觸。

三、外星文明已經(jīng)來到地球，只是我們不知道。

我們來看幾個具體的理論：

動物園假說

動物園假說（Zoo hypothesis）由John Ball 于1973年提出，該理論認(rèn)為高等地外文明是存在的，但是人類被某個或某些高等文明切斷了對外交流的通道，以此來達(dá)到一些目的。

該假說有很多變種假說或拓展假說，如天文館假說、禁區(qū)假說。它們的本質(zhì)都是某個或某些地外文明阻止了我們與其它外星文明的接觸。10

滲透假說

銀河系中的可居住行星分布并不是完全均勻的，而是呈現(xiàn)出一個個“島嶼”的分布狀態(tài)，那么地外文明的殖民就不會是隨意的，而是會以這些“島嶼”為主要的殖民目標(biāo)。地球恰巧處于宇宙中一片很荒涼的地方，所以沒有地外文明造訪的情況是可能發(fā)生的。

與滲透假說（Percolation Theory Hypothesis）類似的，還有夏蟲語冰假說、黑暗森林假說等。這類假說普遍認(rèn)同地外文明是存在的，但出于某種原因，它們尚未到達(dá)地球。11

大過濾器假說

任何一個星球上，從生命誕生，到形成文明，再到星際殖民都需要經(jīng)過非常漫長的過程，而這個過程中有很多的關(guān)鍵節(jié)點，它們發(fā)生的概率是非常小的，可以將每一個節(jié)點都稱為過濾器。因此，大過濾器假說（Great Filter）是指，一個可被我們探測到的地外文明的形成都需要通過大量的過濾器，而成功通過所有過濾器的概率是非常的小的（可以思考為前文所述的德雷克公式中各項的概率很?。?。即使乘以銀河系中總行星數(shù)這一個如此龐大的基數(shù)，地外文明的個數(shù)仍有可能是極少的，甚至人類可能是銀河系中唯一的文明。而考慮到以目前人類的技術(shù)水平并不足以對周圍的空間產(chǎn)生足夠明顯的影響，這一個理論的另一種可能就是人類和許多宇宙中可能存在但沒有被我們發(fā)現(xiàn)的地外文明一樣，都尚未通過大過濾器，而在未來會有某種因素限制了我們向宇宙中發(fā)展。

與該理論類似的還有災(zāi)變論、長子假說等，它們普遍認(rèn)為地外文明存在的數(shù)量有限甚至根本不存在地外文明。12

悖論影響

“費米悖論”形成以后，在天文學(xué)界一直有著相當(dāng)大的影響，因為提出的基礎(chǔ)是科學(xué)探知的事實：古老的銀河系，已有約100多億年的年齡，而銀河系的空間直徑卻只有大約10萬光年，這就是說，即使外星人僅以光速的千分之一翱翔太空，他們也不過只需1億年左右的時間就可以橫穿銀河系——這個時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于銀河系的年齡。而且僅從數(shù)學(xué)概率上分析，在浩瀚的宇宙里，應(yīng)該有著眾多的類似地球的適合于生命存在的類地行星。并且這其中，有些行星的年齡要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地球，因此，它們上面的生命進(jìn)化，也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于地球上的人類。

“費米悖論”提出幾十年來，人類對太空的探索已有長足的進(jìn)展。航天器已經(jīng)參觀或探測了太陽系中絕大部分的行星及其主要衛(wèi)星，天文學(xué)家還追蹤了成千上萬顆星球發(fā)出的射電信號。但是，這些搜尋行動一無所獲，人類并沒有發(fā)現(xiàn)能夠證明外星人存在的生命信號?！百M米悖論”的實質(zhì)就是否定外星文明的存在：既然我們至今還未發(fā)現(xiàn)外星人的蛛絲馬跡，為什么還要相信它呢？

費米悖論也被應(yīng)用于文學(xué)創(chuàng)作中。中國作家劉慈欣的科幻小說《三體2：黑暗森林》就以“黑暗森林”法則對費米悖論進(jìn)行了一種可能的解釋。大意為：宇宙中誕生的文明，由于相互之間距離極其遙遠(yuǎn)，使得文明之間的溝通非常困難；且各星球上誕生的文明，其思維方式、價值觀、甚至基本邏輯思維方式和基本生命構(gòu)成都有著巨大的差距。正是由于各文明之間基于上述原因而形成的猜疑鏈以及各自在技術(shù)水平上發(fā)展的不均衡性，一旦被外星文明獲知自己的存在，就很可能給自身的生存帶來威脅。其結(jié)果必然導(dǎo)致：具有一定成熟度和技術(shù)水平的文明，都會意識到宇宙的黑暗森林法則，因此都不會主動暴露自身的存在，以此解釋了費米悖論“外星人在哪里？”的問題。“宇宙形如黑暗森林，各個文明形如黑暗森林中帶槍的獵人”。按照“黑暗森林”理論，成熟的文明都擁有“藏好自己，做好清理”的本能，所以他們不會貿(mào)然出現(xiàn)，更不會暴露自己的位置。