「費米悖論」的最通俗解釋!告訴你外星人到底在哪兒

任何一個人，在一個晴朗無月的晚上，在一個適合觀星的地方，抬頭望見滿天星星，總是會心有所想：有些人被星空的壯美所感動，有些人被宇宙的遼闊所震驚，還有人像筆者一樣感到存在危機，然後腦洞大開一會兒。每個人都有自己的感受。而物理學家費米的感受是：滿天星星的夜空看起來非常壯觀，但是我們只是在看看附近的地方罷了。在最適合觀星的夜晚，我們可以看到大約 2500 個恆星，這大概是銀河星裡恆星數量的一億分之一。這 2500 個恆星中的絕大多數都距離我們不到 1000 光年，大約是銀河系直徑的百分之一。所以我們看到的星空其實只是下圖中的紅圈那麼大的地方罷了：

當討論恆星和星系的時候，一個能挑逗幾乎所有人類神經的問題，就是：「地球之外是否還有智能生命存在？」讓我們用數字來討論這個問題。

雖然銀河系裡面有 1000 億 -4000 億個恆星，但是在可觀測的宇宙內有幾乎同樣數量的星系——對應每一個銀河系的恆星，就有一個巨大無比的星系。也就是說，可觀測宇宙內的恆星數量大概是在 10^22 到 10^24 之間，這個數字寫出來是這樣的：據估計，地球上沙子的數量是 7.5x10^18 粒，也就是說：科學界對於恆星中有多少是和太陽類似（大小、溫度、光度）的還沒有定論，通常的觀點是 5%到 20%。我們採用最保守的估計（5%）,以及對於恆星數量估值的下限（10^22），那麼就是說有 5x10^20 個恆星是和太陽類似的。而這些和太陽類似的恆星裡有多少是擁有一個和地球類似（允許液態水存在的溫度條件來支持類似地球生命）的行星的呢？這個科學界也沒定論，有些觀點認為這個比例高達 50%，也有比較保守的研究認為應該在 22%左右。結合前面採用的 5%類太陽恆星的假設，就是說宇宙中有至少 1%的恆星，擁有一個類似地球的行星，也就是說存在 10^20 個類似地球的行星。假設經過數十億年的時間，這些類似地球的行星中，有 1%出現了生命。再假設，那些出現了生命的行星中，有 1%的行星上的生命的智能發展到了類似地球的程度。這就是說，可觀測宇宙中存在一百萬億個智能文明。回到咱們銀河系，運用同樣的算法，和對於銀河系恆星數量估計的下限（1000 億），我們可以算出來，銀河系裡可能有 10 億個類似地球的行星，和 10 萬個智能文明。

SETI(Search for Extraterrestrial Intelligence，地外文明搜尋計劃) 是一個以收聽來自地外智能文明信號為目的的組織。

如果銀河系裡存在 10 萬個智能文明，哪怕其中只有很少一部分對外發射無線電波或者雷射束或者其它聯繫信號，SETI 的衛星陣列應該會收到各種各樣的信號。我們的太陽是個很年輕的恆星，也就是說存在著年紀比地球大很多的類地行星，理論上來說他們的文明程度應該遠比我們發達。我們的地球是 45.4 億年，假設我們把地球和一個 80 億年的行星 X 對比如果行星 X 的經歷和地球類似的話，他們的文明應該比我們領先 34.6 億年比我們領先一千年的文明所能帶給我們的震撼，可能就像我們現在的世界能給一個中世紀人的震撼一樣。一個比我們領先一百萬年的文明和我們的差距，可能和我們與大猩猩的差距那般。而行星 X 上那個比我們領先了 34.6 億年的文明會是怎樣呢？卡爾達肖夫指數，根據一個文明所能夠利用的能源數量，來量度文明層次。它的指標有三個類別：人類還沒有達到 I 型文明，按照卡爾薩根的算法，人類可以算作 0.7 型文明。我們還沒有辦法理解這樣的事情要怎樣才能做到，但是人類還是儘量使用想像力來考慮這個問題的，一種可能是戴森球，這是包圍母恆星的巨大球形結構，它可以捕獲大部分或者全部的恆星能量輸出。III 型文明把前面兩張都甩在了後面，她能夠動用相當於整個銀河系那麼多的能源。當然，這一型的文明聽起來有點不可思議，不過別忘了，前面的行星 X 上的文明可是有 34 億年的時間慢慢發展的。如果行星 X 上的文明和我們類似，並且成功生存到了 III 型的話，他們可能已經掌握了星際旅行的方法，甚至開始對整個星系的殖民了。對於星際殖民的方法，有一種假想，就是創造一種能夠航行到別的行星的機器，然後用利用新行星上的材料花 500 年左右的時間自我複製，然後將兩個複製品送向下一個目標，即使用比光速慢的多的速度航行，這個模式也能用 375 萬年的時間完成整個星系的殖民。當計量單位是 10 億年的時候，375 萬年不過是一眨眼而已。回到我們我們之前的推算，如果銀河系裡 1%的智能文明成功的達到了具有星際殖民能力的 III 型文明的話，光銀河系就應該有至少 1000 個 III 型文明了。如果真是這樣的話，這些文明的存在應該很容易被留意到才對。讀到這邊你大概了解什麼是費米悖論了，下面是對於費米悖論的一點解釋，關係到人類的生死存亡，有點繞腦子，如果讀不懂不需要勉強。費米悖論沒有答案，我們至今只能提供可能的解釋而已。問十個科學家，你會得到十個不同的答案。回想一下人類曾經爭論地球是圓的還是平的，地球繞著太陽轉還是太陽繞著地球轉，閃電是宙斯造成的，等等。這些想法在現在看來很好笑，但是我們現在對於費米悖論的解釋大概也就是這個程度。

討論最多的解釋能夠分成兩大類，第一類認為根本不存在 II 型或者 III 型文明，第二類認為存在 II 型或 III 型文明，但是因為種種原因我們觀測不到她們。

第一類解釋：並不存在 II 型和 III 型的文明。

第一類解釋的人認為既然數字推算出來那麼多高等文明，那不管是出於什麼原因使得高等文明不愛對外交流，總是有例外的。哪怕 99.99%的高等文明都不和外面接觸，剩下 0.01%的總會奇葩一點，而我們就會意識到他們的存在。

所以第一類解釋認為不存在非常發達的高等文明。但是數字推算顯示光是銀河系就有數千個可能的高等文明，也就是說肯定有別的因素在幹擾高等文明的出現。大過濾器理論認為，在生命出現前到 III 型文明出現的過程中，有一堵幾乎所有生命都會撞上的牆，這面牆是漫長的演化過程中一個極端困難甚至不可能跨過的階段，這個階段就是大過濾器。

如果大過濾器理論是正確的，那麼問題的關鍵就是「大過濾器究竟發生在什麼階段？」對於人類的命運來說，這個問題是很重要的。

根據大過濾器可能出現的三個不同階段我們有三種可能：

有一種可能是我們已經躍過了大過濾器階段，也就是說什麼發展到我們這個階段是非常少見的。下圖展示了兩個物種躍過了大過濾器，而我們是其中之一。

這種情況可以解釋為什麼沒有 III 型文明，但是它同樣表明我們是極少數發展到這個階段的物種，我們很有希望。當然，從表面來看，這就好像 500 年前的人認為地球是宇宙的中心一樣狂妄，不過有些科學家管這個叫觀測選擇效應，也就是說不管是哪個文明在考慮到自己很特殊的這個問題，這個文明本身就是演化的倖存者，所以不管他們是真的稀有還是假的稀有，他們的思路和結論都會是一樣的。所以說，我們是稀有物種至少是有一定可能的。既然我們很特別，那麼我們究竟哪裡特別呢？我們在演化過程中跨過的哪一步是絕大多數親們都沒能跨過的呢？有一種可能是大過濾器發生在生命起源的最初——生命的起源本就是非常稀有的。這種可能是有道理的，因為地球生命花了將近十億年才出現，而我們試圖在實驗室裡重複這個過程從來沒成功過。如果這就是大過濾器的真相的話，那不只表明沒有別的智能生命的存在，可能連別的生命都不存在。另一種可能，大過濾器是從簡單的原核細胞到複雜的真核細胞的跳躍。原核細胞出現後，它們花了二十億年才演化成真核細胞。如果這是大過濾器的真相的話，那說明宇宙裡到處都有原核細胞，單也僅此而已了。當然還有其它的可能，有人甚至認為我們經歷的比較近的演化是大過濾器。雖然從大猩猩到人類的演化看上不不是那麼神奇，但是心理學家 Steven Pinker 認為物種的演化不一定是朝上發展的：演化不是為了目的而發生的，它就是發生了，它只是利用對於一個特定生態環境下最合適的一種適應。地球上的演化只產生了一次技術智能（人類）可能說明自然選擇造成這種結果本就是罕見的。大部分的演化跳躍不能算作大過濾器，任何一個可能的大過濾器都必須是十億分之一的事情，只有在各種機緣巧合的堆疊下才會發生——所以從單細胞到多細胞不能算，因為光在地球上這個過程就獨自發生了 46 次。同樣的，如果我們在火星上發現一個真核細胞的化石的話，那原核細胞到真核細胞的跳躍也不能算，同理原核細胞之前的事件也不能算——既然能在地球和火星上都發生，那就不能算十億分之一了。如果我們真的很稀有，那可能是因為一個僥倖的生物事件，也可能是因為地球殊異假說(Rare Earth Hypothesis)——雖然有很多類似地球的行星，但是地球上的特有環境（包括與太陽系之間的特定關聯和與月亮的關聯），或者其它關於地球的種種，是非常適合生命存在的。

對於相信第一類解釋的人來說，如果大過濾器不是發生在過去，那麼我們的僅存的希望就是宇宙是直到最近才變得適合智能生命發展的。

這樣的話，我們和其它物種都還在朝超級智能的方向發展，超級智能只是暫時還沒發生罷了。我們湊齊是第一批可能成為超級智能文明的物種之一。一個例子就是很常見的伽馬射線暴，我們能從遠方的星系中觀測到。就好像地球花了幾億年才平息了火山爆發和隕石撞擊，很可能之前的宇宙都是充滿了這種災難，比如會時不時出現的會焚燒所有東西的伽馬射線暴，這使得生命難以發展過特定的階段。現在我們可能正處在天文生物相變階段，所以這可能是生命第一次能不被打擾的發展這麼長時間。

如果我們既不是稀有，又不是第一批的，那麼第一類解釋的唯一可能就是大過濾器會出現在我們的未來。

也就是說生命常常能夠進化到我們這個階段，但是有一些因素阻止絕大多數生命繼續發展到更高等的文明——人類不太可能是特例。一個可能的大過濾器是經常出現的自然災變。比如上面提到的伽馬射線暴，不過伽馬射線暴還沒完，說不定哪天地球生命就突然被滅絕了。另一種可能是智能文明到達一定的技術水平後不可避免的把自己毀滅了。這就是為什麼牛津哲學家 Nick Bostrom 認為：「沒有消息就是最好的消息。即使我們在火星上發現簡單的生命也將是災難性的信號，因為這將大大減低我們已經越過大過濾器的這種可能性，如果我們在火星發現複雜生命的化石，那將是人類歷史上最糟糕的新聞，因為這說明大過濾器幾乎肯定會發生在我們的未來——這將導致物種的毀滅。」第二類解釋：II 型和 III 型智能文明是存在的，因為一些原因我們還沒和他們取得聯繫

第二類解釋拋棄了我們是稀有的或者我們是第一批這種觀點，他們認同平庸原理，也就是說除非有證據能夠證明，不然人類、地球、太陽系、銀河系，都沒什麼特別的。他們也不把高等智能存在的證據的缺失等同於高等智能的不存在——我們對於非地信號的搜索只有達到 100 光年的範圍而已，是銀河系直徑的千分之一。以下是十種常見的第二類解釋：

超級智能可能已經造訪過地球，但是那時候我們還不在。智能人（sentient humans）只存在了 5 萬年左右，算不上什麼。如果和外星智能的接觸發生在人類之前，那發生了什麼我們無從得知——有記錄的人類歷史只有 5500 年，在那之前就算發生了什麼牛逼的接觸也沒有辦法流傳下來。銀河系已經被殖民了，我們只是生活在一個荒蕪的角落裡而已。就好像歐洲國家殖民了美洲很久之後，加拿大北邊的因紐特部落才知道這個事情。高等物種的城市化可能已經在周圍幾個恆星系發生了，這些相鄰的恆星系已經被殖民並且有交流，那專程跑到懸臂的一個莫名的角落（太陽系所在）實在沒什麼意義。對於高等物種來說，物理殖民是個很落後的概念。還記不記得前面提到的 II 型文明能建造的戴森球？有了那麼多的能源，他們完全可以給自己建造一個完美的生存環境。或者他們有很先進的辦法來減少對資源的需求，從而沒有理由離開自己生活的烏託邦去探索冰冷、空白、未開化的宇宙。一個更高等的文明可能把物質世界看做很原始的存在。當他們戰勝了自身的生理，然後把大腦上傳到虛擬實境的永恆天堂之後，生活在物質世界就好像我們看待原始物種生活在暗無天日的深海中一樣無趣。存在著很有攻擊性的文明，絕大部分智能生命都好自為之，不向外廣播自己的位置。也就是大家熟悉的黑暗森林理論，這也可以拿來解釋為什麼 SETI 生命信號都收不到。這同樣表明向外發送信號的人類圖森破，拿衣服。現在有關於 METI（Messaging to Extraterrestrial Intelligence，主動搜尋地外文明計劃）的討論，大部分人認為不應該做這個事情。霍金認為如果外星人造訪我們，結果就會像哥倫布登陸美洲一樣，對於美洲土著來說結果很糟糕。甚至是相信高等文明裡面好人多的卡爾薩根也認為 METI 是很不明智很不成熟的。「初到新地方的小孩應該安靜的傾聽很久，耐心學習，然後再對著那未知的森林發聲。」只存在一個高等智能生命——一個超級捕食者，一個比其他文明都要發達很多的文明，他們會消滅所有發展到了一定程度的文明。這是個很糟糕的可能性。消滅所有新生文明是很沒有效率浪費資源的，很多新生文明自己就把自己玩死了，但是當一個文明越過了一定階段後，超級文明就開始行動了。對於超級文明來說，一個新生的智能物種會像病毒一樣成長和傳播。這個理論表明第一個達成超級文明的種族會長贏下去，這也解釋了為什麼我們收不到任何信號。其實有很多活動和信號存在，只是我們的技術太原始，聽到的都是錯的東西。就好像我們走進一個現代化辦公樓，然後打開一個對講機，然後因為大家都是用手機和電腦的，所以你的對講機什麼都聽不到，然後得出辦公樓是空的這個結論。也可能如卡爾薩根所說，我們的大腦運作速度遠遠快過或者遠遠慢過別的文明，例如對方說一句你好要花 12 年，那我們接收到那個通訊的時候聽上去就是白噪音罷了。我們已經和其它只能生命接觸了，但是政府不讓我們知道。這是個傻逼理論，列在這裡純粹是因為有很多人談。高等文明知道我們的存在，並且在觀測我們，就像觀測動物園的動物一樣。也就是說高等文明們存在於一個管制嚴格的星系，而地球是一個受保護的「國家公園」的一部分，對於這個「動物園」裡面的我們，其他文明都要遵守一個「只能看不能摸」的規定。我們沒有辦法注意到觀測者，因為如果一個遠比我們聰明的物種想要觀測我們，他們應該能很輕易的不讓我們察覺到。就好像星際迷航裡面的最高指導原則（Prime Directive）一樣，超級智能生物不可以和人類這樣的低等物種進行直接接觸，直到人類發展到了一定程度為止。高等文明已經在我們身邊了，但是我們太原始，以至於無法接觸他們。「比如說在森林中間有一座螞蟻山，螞蟻山旁邊正在建造一條十車道的高速公路，螞蟻會明白十車道高速公路是什麼嗎？螞蟻會明白建造高速公路的技術，和建造公路的物種的意圖嗎？」所以也許不是我們接收不到行星 X 發來的信號，而是我們根本不能理解行星 X 的生物是啥、想做什麼。我們和對方的差距太遠，就算對方想要給我們點指導，也會像教螞蟻造高速公路一樣沒有意義。這可能是對於「既然有那麼多 III 型文明，為什麼他們還沒跟我們聯繫」這個問題的回答，當西班牙殖民者皮薩羅來到秘魯的時候，他有沒有停下來試圖和螞蟻山上的螞蟻交流？他有沒有幫助螞蟻？他有沒有對螞蟻動武而延誤他原本的使命？還是說，螞蟻山上的螞蟻，和皮薩羅完全、徹底、永遠沒有關係？我們對於現實的理解是完全錯誤的。有很多種可能性導致我們對於所有一切的想法都是錯的。宇宙可能只是個投影，或者我們就是外星人，而只是被投放在地球做實驗小白鼠的。甚至我們和黑客帝國裡面一樣，只是活在電腦的模擬現實中，而程式設計師忘了寫其它物種的代碼。在我們繼續很可能無果的對非地智能的搜索過程中，我不知道該支持什麼。實話說，不管我們是宇宙中唯一的智能生命，還是我們不是唯一，都感覺怪怪的。不管是哪種情況，都很神奇。除去科幻的要素，費米悖論讓人很謙卑。不是尋常的「我就是微不足道的短暫存在」這種感覺，而是在一種更私人的謙卑。當筆者花費幾個小時研究這個課題，然後看到我們人類中最優秀的科學家給出的看似異想天開的理論、不斷改變自己的立場、和同僚觀點完全不符等等，提醒我未來的人們會看我們的笑話，就好像我們看把星星當作天堂底盤的古人的笑話一樣。而對於 II 型和 III 型文明的討論，更是對我們物種自尊的打擊。地球上，我們是快樂的山大王，是地球食物鏈的頂端。在這個氣泡中我們沒有對手，也沒有外人來評價我們，我們很難感受到作為一種低等物種的感覺。但是筆者寫作時候研究 II 型和 III 型文明，感覺人類的力量和驕傲實在是有點滑稽。

但是考慮到我一向覺得人類是荒蕪的宇宙的一個角落中一塊小石頭上的孤兒，能夠感受到這種「原來我們沒有那麼聰明」的謙卑感，和我們現在的很多認知都是錯誤的這種可能性，相比之下也不是太糟了。

至少這打開了一個可能——雖然僅僅是個可能——故事遠比我們知道的要大得多。

http://waitbutwhy.com/2014/05/fermi-paradox.html翻譯：謝熊貓君（知乎），翻譯時候有改動和少量刪減。

本文由超級數學建模編輯和整理

本文來源於謝熊貓君（知乎）