霍金的最後一戰——費米悖論從一開始就錯了？

作者

今年諾貝爾物理學獎頒發給了黑洞相關的研究。與霍金長期合作的彭羅斯便在獲獎人之列。於是有人抱不平，認為如果早發幾年，諾獎也該有他。

可現實的世界裡沒有如果。這位著名天體物理學家，無數人的精神導師，在2018年3月永遠離去了。只留下了他對物理的深刻洞見、與疾病抗爭的頑強精神，和探索宇宙的充沛熱情，長久地感染人們。

他仿佛就是對莎士比亞的「雖身處果殼之中，卻是無盡世界之王」的最好詮釋。

位於倫敦威斯敏斯特大教堂的霍金墓碑

霍金生前最後進入大眾視線是在2015年，他為突破計劃搖旗吶喊。

這個計劃最引人熱議的莫過於其中的突破攝星項目。該項目宣稱要發射微型探測器，高速飛往最近的恆星系統——比鄰星，進行人類首次星際探測。

計劃一經公布便引來非議，有人說技術上不切實際，有人說霍金譁眾取寵。流言蜚語沒有阻擋住老爺子大聲疾呼的決心。只是沒有想到，那竟成了絕唱。

了解霍金的人應該知道，以老爺子在科學界和科普界的地位，不知道有多少項目想要得到他公開支持。可為什麼他偏偏選擇了突破計劃呢？

霍金特地開通微博宣傳突破計劃

這要從1975年發表在皇家天文學會季刊上的一篇論文說起。這篇論文的題目是《對地外文明缺席的解釋》。由天體物理學家麥可·哈特撰寫。

這篇文章正是大名鼎鼎的費米悖論第一次正式地被提出。儘管費米在1950年的一次私下討論中提出了初步想法，但正是這篇文章讓這個問題完整的被呈現出來，並獲得了廣泛的關注。

1975年哈特論文的標題

文章指出，我們必須對這樣一個事實給出解釋，那就是為什麼人類沒有發現外星人造訪地球的證據。我們所在的銀河系只有10萬光年直徑。如果銀河系中任意一個智慧文明進入到了星際探索的階段。假設他們從周邊的恆星系統開始殖民，以此放射式發展。哪怕只按照0.1倍光速，那麼也只需要不到100萬年的時間便可以遍訪整個銀河系。而銀河系已經存在了上百億年。

這樣一個矛盾便是哈特版的費米悖論（實際上費米悖論這個詞，也是後人在提及哈特論文時才創造出來的。）

哈特自己在文章中就想出了4個解釋此悖論的大方向：

1、由於某些原因智慧文明無法訪問地球

2、智慧文明雖然可以，但自願選擇不訪問地球

3、地外文明還沒來得及訪問地球

4、地球已經被訪問過了，只是我們不知道

但接下來，他逐一對這四大方向進行了反駁。

比如方向2下的一種解釋，外星文明不願意星際擴張。哈特認為，文明是會變化的。比如地球文明，幾百年時間內就有巨大變化。那在數百萬甚至上億年的尺度上，希望文明保持不願擴張的文化是難以想像的。而且，一個文明可以不願擴張，但銀河系裡所有的文明都不願擴張很難有說服力。

再比如方向4下的一個解釋，地球很久以前被訪問過，但是外星文明沒有留下來。同上面一個解釋一樣，哈特認為，解釋一個文明在地球沒有留下印記是行得通的。但所有有能力訪問地球的文明都選擇了不殖民，不留下蹤跡，就過於牽強了。

這樣逐一批駁構成了文章的主幹。哈特由此提出，如果上述四種方向的解釋都是站不住腳的，那麼剩下的解釋就是，我們是這個銀河系裡唯一的智慧文明。

這篇文章一發表，立刻引起了學界的熱議。科學家們開始大開腦洞，對外星文明展開各種想像，企圖回答費米悖論。

費米悖論的正式提出者麥可·哈特

物理學家弗蘭克·提普勒對哈特的觀點表示支持。他甚至比哈特更進一步。

他認為，外星智慧文明可以很簡單地利用自我複製型探測器快速地訪問數以億計的恆星。使用這種指數式的擴張方法，那麼不光銀河系應該被遍布，整個宇宙都會很快被遍布。因此地球沒有被訪問說明了，我們是整個宇宙中唯一的智慧生命。

反對的聲音也接踵而來，著名天文學家，科普作家卡爾·薩根便在其中。薩根和合作者指出，自我複製型探測器是極其危險的，外星文明可能不會使用這種自取滅亡的方法。

這樣你來我往，正方雙方對每一種可能展開充分討論。由此逐漸演變成了我們現在看到的，豐富的對費米悖論的解釋。其中包括著名的大過濾器假說、動物園假說，以及科幻迷都知道的，黑暗森林假說。

但很快人們也注意到，哈特版的費米悖論只強調了外星文明沒有造訪地球。卻沒有提及星際通訊這個關鍵點。於是新版的費米悖論出現了，主要增加了「大靜默」這一個新的矛盾。

NASA搜尋地外文明的著名項目SETI，可能很多人都知道。如果從SETI的前身Ozma項目開始算起，那它已經運行了將近60年。完成了近100個子項目。

但迄今為止，仍然沒有發現任何可靠的外星文明信號。這就是所謂的「大靜默」。

弗蘭克·德雷克，SETI計劃創始人之一， 同時也是著名的德雷克公式的提出者

大靜默愈發的讓一些人相信，我們在宇宙中是孤獨的。以費米悖論為依據，一些美國國會議員開始攻擊SETI計劃毫無用處。1981年，參議員威廉·普羅科斯邁爾成功地讓SETI計劃停擺。儘管後來恢復了支持。但1993年又第二次失去支持。

從那以後SETI就再也沒有從美國政府那裡得到過資金。

可一無所獲是事實啊。原來SETI是個吃了幾十年經費的坑錢項目？真相可能要比乍看上去更複雜。

2010年，在一篇以《SETI 50年》開頭的論文中，塔特等研究人員計算了一個重要比例。

讓我們想像一下，宇宙中各種電磁信號分布在這樣一個多維空間中。首先，肯定得有3個空間維度和1個時間維度。接著還有1個頻段的維度，1個靈敏度的維度，以及2個偏振維度，和1個調製維度。後面這兩項可能有一點難懂，但不理解也沒關係。總之就是電磁波信號對搜尋提出的參數要求。

偏振現象示意圖

SETI計劃便要在這樣一個9維的空間裡搜尋外星文明發出的信號。顯然，提高任何一個維度覆蓋度，都會增加搜尋範圍。

這就好像捉迷藏，看過的角落越多，抓到的概率越高。那經過塔特等人的計算，這9維的空間裡，人類已經搜尋了多大比例呢？

請先扶好你的下巴。論文中的原話是，我們搜尋過的全部參數空間就相當於地球整個海洋中的1.6杯水。

第一次看到這個比值，誰都難免會驚呼：為什麼這麼少？！

我們有上百米口徑的望遠鏡，上億美元的經費，幾十年的時間下來卻只搜尋了這麼一點空間？

答案卻出人意料的簡單——因為宇宙太廣袤了。

比如說空間尺度。射電望遠鏡是有特定張角的，只在張角內比較靈敏。就像光學望遠鏡也有視場。位於貴州平塘的FAST望遠鏡，就有19個不同方向的張角。如下圖所示，每個大約幾個角分（立體角單位）。圖中那個虛線圓圈則是滿月的立體角。可見FAST的觀測範圍並不大。

FAST張角與滿月的對比

那不能把張角變大一點麼？不能，因為宇宙太廣袤了，哪怕是這麼小一個區域，投影到宇宙尺度上，裡面都會有數不盡的河內恆星以及河外星系。要知道，很多信號可能只來一次就沒有了，更大的張角下要怎麼區分那些信號的來源呢？況且，更大的張角也會帶來更多的噪音。又會導致靈敏度降低。

再比如頻段維度。目前SETI計劃使用的望遠鏡大多工作在幾個G赫茲頻段。但射電的頻段可以從幾K到上百G赫茲，跨越8個數量級。這並不是天文學家不想全波段觀測。只是不同的波段需要不同的儀器設備，豈是想想就能有的。

所以不論是空間覆蓋、時間覆蓋、還是頻段覆蓋等等，人類的觀測都有巨量的空白。由此造成了「滄海一杯」的效果。

作者在文中追問道：如果我們在大海中舀了一杯水，水裡沒有魚，我們能說整個海裡都沒有魚麼？

所以所謂的「大靜默」，根本就不存在！

與我們的直觀感受不同，美麗的星空對於地外文明搜尋來說，遠不像看上去那樣通透。搜尋對人類的技術有著極高的要求。不是望遠鏡對著天空掃一圈就完事了。

某種程度上說，對於這巨大的參數空間，人類基本就是聾/子。我們耳朵不好，不能說世界就是安靜的啊！

那麼，更大的問題來了。既然「大靜默」是站不住腳的，把它作為主要依據的費米悖論呢？這個問題，值得所有為費米悖論絞盡腦汁的人冷靜下來思考。

但也有的人可能會說，SETI費了這麼大力氣，到頭來只研究了「一杯水」。未來的SETI計劃還有什麼希望呢？

希望就在於，探測技術是飛速發展的。現在的射電觀測技術，在靈敏度上，在數據處理能力上，都要遠強於自己的前輩們。而未來，還會有更強的望遠鏡建成。

說的直白點，人類的搜尋計劃不會一杯一杯地找下去。而是昨天一杯，今天一池，明天一大片。

從下面這張圖可以看出這個趨勢。圖中橫軸是頻段覆蓋，縱軸是對100光年外的探測功率。圖中的線段代表了過去到未來一些重要的射電望遠鏡。很明顯，新的望遠鏡在靈敏度和頻段上都有碾壓式的優勢（縱軸越低越好，橫軸越寬越好。）正在建設中的超大射電陣列SKA就是最下面那條線（SKA分為1、2期工程）。

射電望遠鏡性能對比

這就是霍金老爺子為突破計劃疾呼的原因。因為我們根本就不應該喊出「其他文明都去哪了」這樣的話。人類的地外文明搜尋才剛剛開始而已。

突破計劃的一個子項目，「突破聆聽」便是SETI的延續。有物理科研經歷的俄羅斯富豪尤裡·米爾納為此項目出資一億美元。用著一億美元，突破聆聽給出了一個為期十年的搜尋計劃。觀測目標包括銀道面，銀河系中心，和100個近鄰的星系。

目前項目已經順利運行了5年，觀測了上千顆恆星。而接下來，新啟用的射電陣列MeerKAT將加入搜尋，大大提升觀測效率。未來5年，MeerKAT預計將對一百萬顆臨近恆星進行搜尋。

當然，這對於擁有數千億顆恆星的銀河系，以及那巨大的9維參數空間來說，可能還遠遠不夠。

位於南非北開普省的MeerKAT陣列

但正如哈特當年在論文中說的。我們是否孤獨，這也許是整個天文學裡最重要的問題之一。

從引力波理論提出，到直接觀測引力波，人類經歷100年。從希格斯玻色子提出到發現，人類經歷了49年。超常的問題，就應該給予超常的關注和耐心。

而地外文明的問題，更是超出了物理和天文的範疇。它涉及到整個人類社會。一旦突破實現，人類不但會重新認識宇宙，也會重新認識我們自己。

如果我們能把討論費米悖論的熱情，更多地投到對搜尋的關注中，這個問題的答案應該會更快到來。

讓霍金老爺子的疾呼長繞於耳畔。

也許那一天，真的不遠了。

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參考資料

1、Hart, M. H. 1975, QJRAS

2、Margot, Jean-Luc, et al. "The radio search for technosignatures in the decade 2020-2030." arXiv preprint arXiv:1903.05544 (2019).

3、Gajjar, Vishal, et al. "The breakthrough listen search for extraterrestrial intelligence." arXiv preprint arXiv:1907.05519 (2019).

4、Gray, Robert H. "The Fermi paradox is neither Fermi's nor a paradox." Astrobiology 15.3 (2015): 195-199.

5、Tarter, J. C., et al. "SETI turns 50: five decades of progress in the search for extraterrestrial intelligence." Instruments, Methods, and Missions for Astrobiology XIII. Vol. 7819. International Society for Optics and Photonics, 2010.

本文首發自「科學與想像琢磨中心」。

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