费米悖论


这里是 Tim Urban 的 The Fermi Paradox 译文,原由 谢熊猫君 所译,作为对知乎问题 如何用通俗的语言来解释「费米悖论」? 的回答,有过有改动和删减。

此处收录下来,是为尽可能还原原文,用以探究 Wait But Why 的写作。


任何一个人,在一个晴朗无月的晚上,在一个适合观星的地方,抬头望见满天星星,总是会心有所想:

有些人被星空的壮美所感动,有些人被宇宙的辽阔所震惊,还有人像笔者一样感到存在危机,然后脑洞大开一会儿。每个人都有自己的感受。

而物理学家费米的感受则是——“他们都在哪呢?”


满天星星的夜空看起来非常壮观,但是我们只是在看看附近的地方罢了。在最适合观星的夜晚,我们可以看到大约2500个恒星,这大概是银河星里恒星数量的一亿分之一。这2500个恒星中的绝大多数都距离我们不到1000光年,大约是银河系直径的百分之一。所以我们看到的星空其实只是下图中的红圈那么大的地方罢了:

银河系图:Nick Risinger

当讨论恒星和星系的时候,一个能挑逗几乎所有人类神经的问题,就是:“地球之外是否还有智能生命存在?”让我们用数字来讨论这个问题。

虽然银河系里面有1000亿-4000亿颗恒星,但是在可观测的宇宙内有几乎同样数量的星系——对应每一个银河系的恒星,就有一个巨大无比的星系。也就是说,可观测宇宙内的恒星数量大概是在10^22到10^24之间。这就意味着,地球上每有一粒沙子,宇宙中就对应有10000颗恒星。

科学界对于恒星中有多少是和太阳类似(大小、温度、光度)的还没有定论,通常的观点是5%到20%。我们采用最保守的估计(5%),以及对于恒星数量估值的下限(10^22),那么算下来就有5x10^20颗类太阳恒星

而此类与太阳类似的恒星中有多少是拥有类地行星(允许液态水存在的温度条件来支持类似地球生命)的呢?这在科学界也没有定论,有些说法认为该比例高达50%,而一份最新的 PNAS 研究则认为该比例只有22%左右,我们依然用比较保守的数字。结合前面的5%类太阳恒星的假设,也就是说宇宙中有至少1%的恒星是拥有类地行星的,即存在10^20个类地行星

换句话说,地球上每有一粒沙子,宇宙中就对应有100个类地行星。等你下次去海边玩是时候,记得想一想这个数据。

再往下算,我们只能全靠猜想了。假设经过数十亿年的时间,这些类似地球的行星中,有1%出现了生命(即每一粒沙子就对应有1个有生命的类地行星)。紧接着假设,那些存在生命的行星中,有1%能进化出程度类似于地球的智慧生物。那就意味着,可观测宇宙中将存在一百万亿个智慧文明。

回到我们的银河系,采用同样的算法,对于银河系恒星数量估计的下限(1000亿),我们就能算出,银河系可能存在10亿个类地行星,以及10万个智慧文明。

SETI(Search for Extraterrestrial Intelligence,地外文明搜寻计划)是一个致力于接收地外智慧生物信号的组织。如果银河系真存在着10万或更多的智慧文明,其中哪怕只有很少一部分对外发射无线电波、激光信号或其它形式的联络企图,那 SETI 的卫星天线阵列不应该就能收到各种各样的信号了吗?

但 SETI 从没发现过这样的信号。一次都没有。

他们都在哪呢?

这还不是最奇怪的地方。我们的太阳是个很年轻的恒星,也就是说存在着年龄比地球大得多的类地行星,而他们的文明程度理论上应远比我们发达。举例来说,让我们把年龄45.4亿年的地球同一个年龄80亿年的行星 X 进行对比。

如果行星 X 的历史跟地球相似的话,他们的文明应该能领先我们34.6亿年(时间轴上的绿色时间跨度):

比我们领先一千年的文明所能带给我们的震撼,可能就像我们现在的世界能给一个中世纪人的震撼一样。一个比我们领先一百万年的文明和我们的差距,可能和我们与大猩猩的差距那般。而行星 X 上那个文明可比我们领先了34.6亿年……

卡尔达肖夫指数,根据一个文明所能够利用的能源数量,来量度文明层次。它的指标有三个类别:

I 型文明有能力使用所在行星的全部能源。人类还没有达到I型文明,按照卡尔萨根的算法,人类可以算作0.7型文明。

II 型文明有能力使用母恒星的全部能量。我们还没有办法理解这样的事情要怎样才能做到,但是人类还是尽量使用想象力来考虑这个问题的,一种可能是戴森球,这是包围母恒星的巨大球形结构,它可以捕获大部分或者全部的恒星能量输出。

III 型文明把前面两张都甩在了后面,她能够动用相当于整个银河系那么多的能源。

当然,这一型的文明听起来有点不可思议,不过别忘了,前面的行星 X 上的文明可是有34亿年的时间慢慢发展的。如果行星 X 上的文明和我们类似,并且成功生存到了 III 型的话,他们可能已经掌握了星际旅行的方法,甚至开始针对整个星系的殖民了。

对于星际殖民的方法,有一种假说,就是创造一种能够航行到别的行星的机器,然后用利用新行星上的材料花500年左右的时间自我复制,然后将两个复制品送向下一个目标,即使用比光速慢的多的速度航行,这个模式也能用375万年的时间完成整个星系的殖民。当计量单位是10亿年的时候,375万年不过是一眨眼而已。

来源:Scientific American: “Where Are They”

回到我们我们之前的推算,如果银河系中1%的智慧文明能成功达到具备星系殖民能力的 III 型文明的话,仅银河系就应该有至少1000个III型文明了。如果真是这样的话,这些文明的存在应该很容易被注意到才对。可迄今为止,我们什么都没看到,什么都没听到,更从未接触到他们中的任何一个。

那他们到底都在哪呢?


这就是费米悖论。

费米悖论尚没有答案——我们所能提供的最多只是一些“可能的解释”。如果你去问十个不同科学家,你所得到的也只是十个不同的答案。回想一下人类曾经争论:地球是圆的还是平的,是地球绕着太阳转还是太阳绕着地球转,或是闪电是由宙斯造成的……这样的想法如今看来都很好笑,可我们在费米悖论上的理解也正是这种程度。

讨论最多的解释可分为两大类:一类认为根本不存在 II 型或是 III 型文明,另一类则认为她们是存在的,只是由为种种原因,我们才观测不到她们。

第一类解释:观测不到更高级(II 型、III 型)文明的原因是她们根本不存在。

支持第一类解释的人会指出那种非唯一性的问题,断然拒绝像“存在更高级的文明,但她们从不跟我们接触是因为……”这样的任何说法。第一类解释的人认为既然数字推算出来那么多高等文明,那不管是出于什么原因使得高等文明不爱对外交流,总是有例外的。哪怕99.99%的高等文明都不和外面接触,剩下0.01%的总会奇葩一点,而我们就会意识到他们的存在。

所以,对第一类解释而言,必定是不存在超级发达的高级文明。而既然数字推算显示仅我们银河系就存在着数千个可能的高级文明,那就是说肯定存在着干扰她们出现的其他因素。

这里的其他因素就是大过滤器

大过滤器理论认为,从生命出现前到 III 型文明出现的整个过程,存在一堵所有或几乎所有生命都会撞上的墙。该墙就是这一漫长的演化过程中某些极端困难甚至不可能跨过的阶段。这样的阶段就是大过滤器。

如果大过滤器理论是正确的,那么关键的问题就是,“大过滤器究竟出现在什么阶段?”

对于整个人类的命运而言,该问题非常重要。根据大过滤器可能出现的不同阶段,我们将面临三种可能的命运:我们是稀有的存在,我们是第一批,或者我们有大麻烦了。

1. 我们是稀有的存在(我们已跨越大过滤器阶段)

这里的一线希望是我们已安然渡过大过滤器阶段——我们成功跨越了它,也就意味着发展到我们智慧水平的生命是极其罕见的。下图展示了成功跨越大过滤器的两个物种,而我们就是其中之一。

这种情况可以解释为什么没有 III 型文明……但它同样表明我们还是能发展到这一生命阶段的极少数例外。这也表明我们很有希望(发展到 III 型文明)。当然,表面看来,这就跟500年前的人认为地球是宇宙的中心一样狂妄——它意味着我们很特别。不过,科学家所说的“观测选择效应”表明,思索自身独特性的任何文明,其本身就蕴含着一个智慧生命的“成功故事”。而不论他们的稀有性是真是假。他们的思索和结论都将是相同的。而这一点迫使我们承认,特殊至少是一种可能。

既然我们很特别,那么我们究竟哪里特别呢?我们在演化过程中跨过的哪一步是绝大多数亲们都没能跨过的呢?

有一种可能:大过滤器发生在生命起源的一开始——生命的起源本就是非常稀有的。这种可能是有道理的,因为地球生命花了将近十亿年才出现,而我们试图在实验室里重复这个过程从来没成功过。如果这就是大过滤器的真相的话,那不只表明没有别的智慧生命的存在,可能连别的生命都不存在。

另一种可能:大过滤器是从简单的原核细胞到复杂的真核细胞的跳跃。原核细胞出现后,它们花了二十亿年才演化得更为复杂,并拥有了细胞核。如果这是大过滤器的真相的话,那说明宇宙里到处都有原核细胞,但也仅此而已了。

当然还有许多其它的可能——有人甚至认为我们当前所经历的智力上的飞跃也是一种可能的大过滤器。虽然从大猩猩演化到人类的阶段看起来并没有多神奇,但是心理学家 Steven Pinker 否定了物种必定向前进化的观点:演化不是为了目的而发生的,它就是发生了,它只是利用对于一个特定生态环境下最合适的一种适应。地球上的演化只产生了一次技术智慧(人类)可能说明自然选择造成这种结果本就是罕见的。

大部分的演化跳跃不能算作大过滤器,任何一个可能的大过滤器都必须是十亿分之一的事情,只有在各种机缘巧合的堆叠下才会发生——所以从单细胞到多细胞不能算,因为光在地球上这个过程就独自发生了46次。同理,如果我们能在火星上发现真核细胞化石的话,那么原核细胞到真核细胞的跨跃也就不能算了(原核细胞之前的进化事件也就不能算了)——既然能在地球和火星上都发生,那就不能算作十亿分之一的小概率事件。

如果我们真的很稀有,那可能是因为一个侥幸的生物事件,也可能是因为地球殊异假说(Rare Earth Hypothesis)——虽然有很多类似地球的行星,但是地球上的特有环境——包括与太阳系之间的特定关联和与月亮的关联(这么大的卫星对于一个如此之小的行星来说是不寻常的,而它对我们特有的气候和海洋条件的贡献是很重要的),或是其它关于地球的种种——都显得非常适合生命的诞生。

2. 我们是第一批

对于相信第一类解释的人来说,如果大过滤器不是发生在过去,那么我们的仅存的希望就是宇宙是直到最近才变得适合智慧生命发展的。这样的话,我们和其它物种都还在朝超级智慧的方向发展,超级智慧只是暂时还没发生罢了。我们凑齐是第一批可能成为超级智能文明的物种之一。

一个例子就是很常见的伽马射线暴,我们能从远方的星系中观测到。就好像地球花了几亿年才平息了火山爆发和陨石撞击,很可能之前的宇宙都是充满了这种灾难,比如会时不时出现的会焚烧所有东西的伽马射线暴,这使得生命难以发展过特定的阶段。现在我们可能正处在天文生物相变阶段,所以这可能是生命第一次能不被打扰的发展这么长时间。

3. 我们有大麻烦了(我们将面对大过滤器)

如果我们既不是稀有,又不是第一批的,那么第一类解释的唯一可能就是大过滤器必定出现在我们的未来。也就是说生命常常能够进化到我们这个阶段,但是有一些因素阻止绝大多数生命继续发展到更高等的文明——人类不太可能成为例外。

一个可能的大过滤器是经常出现的自然灾变。比如上面提到的伽马射线暴,不过伽马射线暴还没完,说不定哪天地球生命就突然被灭绝了。另一种可能是智能文明到达一定的技术水平后不可避免的把自己毁灭了。

这就是为什么牛津大学哲学家 Nick Bostrom 会说:“没有消息就是最好的消息。”即便在火星上发现再简单的生命,对我们来说也都是一个灾难性的信号,因为这将大大降低我们业已跨越大过滤器的可能性。而如果我们在火星上发现了复杂生命的化石,Bostrom 认为“那将是人类历史上最糟糕的新闻”,因为它将意味着大过滤器几乎肯定会横亘在我们的未来——它终将毁灭我们整个物种。”在费米悖论一事上,Bostrom 相信,“夜空的沉默即是黄金。”

第二类解释:II型和III型智能文明是存在的,因为一些原因我们还没和他们取得联系

第二类解释抛弃了我们是稀有的或者我们是第一批这种观点,他们认同平庸原理,也就是说除非有证据能够证明,不然人类、地球、太阳系、银河系,都没什么特别的。他们也不把高级智慧存在的证据的缺失等同于高级智慧的不存在——我们对于地外信号的搜索只有达到100光年的范围而已,仅银河系直径的千分之一。下面是十种常见的第二类解释:

可能1:超级智慧生命可能已造访过地球,但是那时候我们还没出现。智人(sentient humans)只存活了大约5万年,算不上什么。如果和外星智能的接触发生在人类之前,那发生了什么我们无从得知——有记录的人类历史只有5500年,在那之前就算发生了什么牛逼的接触也没有办法流传下来。

可能2:银河系已经被殖民了,我们只是生活在一个荒芜的角落里而已。就好像欧洲国家殖民了美洲很久之后,加拿大北边的因纽特部落才知道这个事情。高等物种的城市化可能已经在周围几个恒星系发生了,这些相邻的恒星系已经被殖民并且有交流,那专程跑到悬臂的一个莫名的角落(太阳系所在)实在没什么意义。

可能3:对于高级物种来说,物理殖民是个很落后的概念。还记不记得前面提到的 II 型文明能建造的戴森球?有了那么多的能源,他们完全可以给自己建造一个完美的生存环境。或者他们有很先进的办法来减少对资源的需求,从而没有理由离开自己生活的乌托邦去探索冰冷、空白、未开化的宇宙。

一个更高等的文明可能把物质世界看做很原始的存在。当他们战胜了自身的生理,然后把大脑上传到虚拟现实的永恒天堂之后,生活在物质世界就好像我们看待原始物种生活在暗无天日的深海中一样无趣。顺便说一句,一想到那些已经达到不朽状态的生命形式,我就感到异常羡慕和沮丧。

可能4:存在着很有攻击性的文明,绝大部分智能生命都好自为之,不向外广播自己的位置。也就是大家熟悉的黑暗森林理论,这也可以拿来解释为什么SETI生命信号都收不到。这同样表明向外发送信号的人类图森破,拿衣服。现在有关于 METI(Messaging to Extraterrestrial Intelligence,主动搜寻地外文明计划)的讨论,大部分人认为不应该做这个事情。霍金认为如果外星人造访我们,结果就会像哥伦布登陆美洲一样,对于美洲土著来说结果很糟糕。甚至是相信高等文明里面好人多的卡尔·萨根也认为 METI 是很不明智很不成熟的,“初到新地方的小孩应该安静的倾听很久,耐心学习,然后再对着那未知的森林发声。”

可能5:只存在一个高等智能生命——一个超级捕食者,一个比其他文明都要发达很多的文明,他们会消灭所有发展到了一定程度的文明。这是个很糟糕的可能性。消灭所有新生文明是很没有效率浪费资源的,很多新生文明自己就把自己玩死了,但是当一个文明越过了一定阶段后,超级文明就开始行动了。对于超级文明来说,一个新生的智能物种会像病毒一样成长和传播。这个理论表明第一个达成超级文明的种族会长赢下去,这也解释了为什么我们收不到任何信号。

可能6:其实有很多活动和信号存在,只是我们的技术太原始,听到的都是错的东西。就好像我们走进一个现代化办公楼,然后打开一个对讲机,然后因为大家都是用手机和电脑的,所以你的对讲机什么都听不到,然后得出办公楼是空的这个结论。也可能如卡尔·萨根所说,我们的大脑运作速度远远快过或者远远慢过别的文明,例如对方说一句你好要花12年,那我们接收到那个通讯的时候听上去就是白噪音罢了。

可能7:我们已经和其它只能生命接触了,但是政府不让我们知道。这是个傻逼理论,列在这里纯粹是因为有很多人谈。

可能8:高等文明知道我们的存在,并且在观测我们,就像观测动物园的动物一样(又名“动物园假说”)。也就是说高等文明们存在于一个管制严格的星系,而地球是一个受保护的“国家公园”的一部分,对于这个“动物园”里面的我们,其他文明都要遵守一个“只能看不能摸”的规定。我们没有办法注意到观测者,因为如果一个远比我们聪明的物种想要观测我们,他们应该能很轻易的不让我们察觉到。就好像星际迷航里面的最高指导原则(Prime Directive)一样,超级智能生物不可以和人类这样的低等物种进行直接接触,直到人类发展到了一定程度为止。

可能9:高等文明已经在我们身边了,但是我们太原始,以至于无法接触他们。物理学家加来道雄总结出这么一个比喻:

“比如说在森林中间有一座蚂蚁山,蚂蚁山旁边正在建造一条十车道的高速公路,蚂蚁会明白十车道高速公路是什么吗?蚂蚁会明白建造高速公路的技术,和建造公路的物种的意图吗?”

所以也许不是我们接收不到行星 X 发来的信号,而是我们根本不能理解行星 X 的生物是啥、想做什么。我们和对方的差距太远,就算对方想要给我们点指导,也会像教蚂蚁用互联网一样毫无意义。

这可能是对于“既然有那么多 III 型文明,为什么他们还没跟我们联系”这个问题的回答,当西班牙殖民者皮萨罗来到秘鲁的时候,他有没有停下来试图和蚂蚁山上的蚂蚁交流?他有没有帮助蚂蚁?他有没有对蚂蚁动武而延误他原本的使命?还是说,蚂蚁山上的蚂蚁,和皮萨罗完全、彻底、永远没有关系?这也许正是我们此刻的处境。

可能10:我们对于现实的理解是完全错误的。有很多种可能性导致我们对于所有一切的想法都是错的。宇宙可能只是个全息投影,或者我们就是外星人,而只是被投放在地球做实验小白鼠的。甚至我们和黑客帝国里面一样,只是活在电脑的模拟现实中,而程序员忘了写其它物种的代码。


在我们继续很可能无果的对非地智能的搜索过程中,我不知道该支持什么。实话说,不管我们是宇宙中唯一的智能生命,还是我们不是唯一,都感觉怪怪的。不管是哪种情况,都很神奇。

除去科幻的要素,费米悖论让人很谦卑。不是寻常的“我就是微不足道的短暂存在”这种感觉,而是在一种更私人的谦卑。当笔者花费几个小时研究这个课题,然后看到我们人类中最优秀的科学家给出的看似异想天开的理论、不断改变自己的立场、和同僚观点完全不符等等,提醒我未来的人们会看我们的笑话,就好像我们看把星星当作天堂底盘的古人的笑话一样。

而对于 II 型和 III 型文明的讨论,更是对我们物种自尊的打击。地球上,我们是快乐的山大王,是地球食物链的顶端。在这个气泡中我们没有对手,也没有外人来评价我们,我们很难感受到作为一种低等物种的感觉。但是笔者写作时候研究II型和III型文明,感觉人类的力量和骄傲实在是有点滑稽。

但是考虑到我一向觉得人类是荒芜的宇宙的一个角落中一块小石头上的孤儿,能够感受到这种“原来我们没有那么聪明”的谦卑感,和我们现在的很多认知都是错误的这种可能性,相比之下也不是太糟了。至少这打开了一个可能——虽然仅仅是个可能——故事远比我们知道的要大得多。


Sources:

PNAS: Prevalence of Earth-size planets orbiting Sun-like stars

SETI: The Drake Equation

NASA: Workshop Report on the Future of Intelligence In The Cosmos

Keith Wiley: The Fermi Paradox, Self-Replicating Probes, and the Interstellar Transportation Bandwidth

NCBI: Astrobiological phase transition: towards resolution of Fermi’s paradox

André Kukla: Extraterrestrials: A Philosophical Perspective

Nick Bostrom: Where Are They?

Science Direct: Galactic gradients, postbiological evolution and the apparent failure of SETI

Nature: Simulations back up theory that Universe is a hologram

Robin Hanson: The Great Filter – Are We Almost Past It?

John Dyson: Search for Artificial Stellar Sources of Infrared Radiation