外星人存在嗎?人類為什麼看不到外星文明?

最近，加拿大科學家觀察到了宇宙中快速射電暴FRB的重複信號，有人說這是外星人發來的問候。一時間，有關外星人的話題再次變得炙手可熱。

外星人存在嗎？我們不妨來談談有關外星人的一個著名悖論：費米悖論。

費米出生於義大利，他的夫人具有猶太血統。在二戰之前為了躲避納粹的迫害，二人逃到了美國，並加入美國國籍。

費米是二十世紀物理學界的扛把子之一。他提出的「費米-狄拉克統計」「中微子」「弱相互作用」等物理模型，都是上個世紀物理學的重要分支。費米在美國主持了製造原子彈的「曼哈頓計劃」，與奧本海默並稱為原子彈之父。他不僅自己獲得了諾貝爾獎，學生中也有六人獲得諾貝爾獎，其中就包括我們熟知的楊振寧和李政道。

在1950年的一天，費米和幾位芝加哥大學的同事吃過午飯在一塊兒閒聊，談到了外星人的話題。費米突然問道：那麼他們都在哪呢？其他幾位教授突然意識到：這是一個很難回答的問題。後來，「外星人在哪」就被稱為費米悖論。

所謂悖論，是一個命題通過某種合理的邏輯過程，得到自相矛盾的結果。為什麼一個疑問句也可以稱為悖論呢？

費米特別擅長於通過簡單的方法估算複雜的物理問題，這些問題被稱為費米問題。在外星人問題上，費米又一次發揮了自己的專長：他估算了宇宙中大約有多少個超過人類的文明。

我們知道：可觀測宇宙的直徑大約有900億光年。因為宇宙在膨脹，距離我們越遠，宇宙膨脹的速度越快。超過900億光年以外的宇宙，膨脹的速度超過了光速，我們沒有辦法獲得關於那裡的任何信息。

在這個廣袤的宇宙中，分布著大約1000億個像銀河系一樣的星系。每個星系中又有1000億到10000億顆恆星。有些恆星質量太大，壽命比較短；有些恆星質量太小，發光不穩定。要想孕育出生命，就需要與太陽質量差不多大的恆星。科學家估計這樣的恆星數量在5%~20%之間。

在類太陽恆星周圍，存在著許許多多的行星。有些行星距離恆星太近，溫度太高，有些行星距離太陽太遠，溫度太低，這些行星都不具備生命產生的條件。只有那些類似於地球一樣遠近適中的行星才能產生像人類這樣高度發達的文明。科學家們估計擁有這種行星的恆星數量大約佔總體的20%-50%。

現在我們有個合適的恆星和行星，但是生命的產生過程本身也是十分複雜的。科學家在實驗室中模擬原始地球的各種條件，也僅僅人工製造了胺基酸，還沒有創造出哪怕是最原始的生命形態。但是，漫長的時間又是生命生成的有力武器。我們假設在這些適合生命存在的星球中，經過數十億年的演化，僅有萬分之一的星球發育出了高智慧生命。

綜合以上數據，我們把類太陽恆星、類地球行星的數量都取下限1%，就可以得出宇宙中高智慧文明的數量。

為了上上述估計更加準確，美國國家射電天文臺（綠岸天文臺，即小說《三體》中紅岸天文臺的原型）的天文學家弗蘭克德雷克提出了一個更加詳細的公式，用以估算人類能夠接觸到的銀河系內的高智慧文明數量，按照德雷克公式，人們計算出的應該能與地球接觸的地外文明數量應該在數千到數萬個之間。

也就是說，如果我們接受了上面的數據，宇宙中應該有數以萬億計的智慧生命。就算僅僅看銀河系這宇宙中的滄海一粟，也應該有成千上萬的智慧文明存在。人類並不孤單。

外星存在高度發達的文明，那麼這些文明應該早就與人類有過接觸了。為了解釋這件事，我們首先介紹一種劃分文明等級的方法：卡爾達肖夫指數。

前蘇聯天文學家尼古拉.卡爾達肖夫提出了一種區分文明等級的方法。他指出：文明的發展必須依賴能源，因此對能源的不同利用程度就標誌著文明的不同等級。

第I型文明表示可以充分利用所在行星（如地球）的能源，功率大約為10^16W.

第II型文明表示可以充分利用所在恆星（如太陽）的能源，功率大約為10^26W.

第III型文明表示可以充分利用所在星系（如銀河系）的能源，功率大約為10^36W.

目前，人類的卡爾達肖夫指數大約在0.7，也就是還沒有達到第一級文明。日裔美國物理學家加來道雄認為：人類還需要大約100~200年才能達到I型文明，然後經過數千年達到II型文明，再經過數十萬年才能達到III型文明。

不過，宇宙的年齡有138億年，地球的年齡只有46億年，也就是說，地球在宇宙中還是相對年輕的星球，有許多類地星球年齡比地球大。只要那些星球上的文明比地球人早幾十萬年，那麼它們現在就可以達到III型文明了。

如果某種生命達到了高度發達的文明，那麼它們必然會思考兩個問題：如何為自己提供更多的能源？如何對宇宙進行探索。高發達的文明對能源的需求是巨大的，而為了防止因為宇宙中的災難或者恆星能源消耗殆盡，它們必然會對宇宙進行探索和開發，尋找新的家園。一個高度發達的文明必然是在強烈好奇心的驅使下取得科技成就的，而廣袤的宇宙正充滿了無限的神秘。

數學物理學家弗裡曼·戴森設想了一種利用恆星能源的方式：戴森球。

戴森設想：高度文明為了充分利用恆星能量，可以用一個布滿太陽能板的球將恆星罩住。而且，這個球並不需要一步到位建設好，可以首先建設一個由許多小飛行器組成的戴森環，然後演變為戴森蜂群或戴森泡。

雖然戴森球的設想還有許多物理問題和工程問題需要解決，但這的確不失為一種充分利用太陽能的良好方法。戴森球吸收太陽能後可以為文明提供巨大的能量，同時溫度升高，向外發射紅外線，如果真的是這樣，我們應該能探測到好多高度文明建設的戴森球，但事實是我們人類從未發現外星戴森球的痕跡。

宇宙浩瀚無垠，不過科學家也設想了一種探索宇宙的合理方式：馮諾依曼探測器。

我們知道：生命都具有自我複製的能力。生命可以從外界環境中獲得能量和材料，組成自己或者自己的下一代。其實，機器也有自我複製的可能，例如計算機病毒就有自我複製的能力。

馮諾依曼探測器就是這樣一種具有自我複製能力的機器。它們被發射到一個新的星球上，就會根據指令搜索這個星球，找到適當的材料，用以複製自己。然後吸收足夠的能量後再發射到更多的星球上。科學家們估計，如果某個高度發達的文明製造出了一臺馮諾依曼探測器，那麼在幾百萬年的時間內探測器就會布滿整個銀河系，當然也包括地球。

然而實際上，我們至今為止沒有發現任何類似馮諾依曼探測器的裝置。

費米等科學家通過估算得到了外星文明應該存在的結論，並且通過合理的邏輯推演出外星人製造的戴森球、馮諾依曼探測器應該被人類發現，但實際上人類卻沒有發現任何外星人的痕跡，於是就產生了費米悖論。

如何才能調和外星人應該存在和外星人沒有被觀測到的矛盾呢？在幾十年的時間裡，科學家們提出了上百種解釋，目前沒有一種解釋能成為公認的答案，但卻為各種科幻小說提供了不少素材。

我們可以把這些解釋大概的分為三類，分別是地球稀有說、無法察覺說、人類隔離說。

地球稀有說是指：產生人類這樣高度發達文明的條件是非常苛刻的，高度文明的數量遠遠低於我們之前的估計，如果人類不是第一個，也是第一批這樣的高度文明。因為要形成生命，不僅僅需要距離恆星遠近適當，還需要有大量的重原子、需要適當的質量產生合適的大氣、需要一定的磁場來防禦宇宙的離子風暴、需要原理小行星帶減少彗星的撞擊等等。地球是非常幸運的，它恰好滿足所有的條件，所以才產生了生命。

還有一種地球稀有說是大過濾器理論。生命發展到一定階段，就會面臨滅絕的風險，稱為過濾器，極少數的生命才能通過過濾器。宇宙中有成千上萬的低等文明，通過第一個過濾器後數量就少得多，通過第二個過濾器後數量更少…

例如：從原核生物到真核生物可能就是一個過濾器，地球上的原核生物經過十幾億年的時間才變為真核生物。各種天災也可能是過濾器，如彗星撞擊、超新星噴發等。高等文明發達的科技也可能是一種大過濾器，人類製造的核武器，以及未來為開發太陽製造的先進設備，都可能造成人類的滅絕。假如對於宇宙中所有生命都存在過濾器，就不難理解為什麼我們至今還沒有發現超級文明了。所以，有科學家指出：在外星發現生命不是什麼好事，這可能意味著人類還沒有通過大過濾器，在未來人類可能面臨滅頂之災。

第二類解釋「無法察覺」說認為：外星文明其實一直在我們周圍，只是因為某些原因我們沒有察覺到他們的存在。比如，有人認為外星文明其實一直在向外發射無線電信號，只是受到功率和能源的限制，這些無線電信號並不是無縫銜接的。人類探索宇宙的歷史也不過幾十年，有可能在這幾十年中，地球剛好處於外星無線電信號的縫隙之中，所以我們沒有探測到這些信號。或者，外星文明的通訊方式並不是電磁波，而是一種更加先進、我們無法理解的方式。還有人認為，外星人與人類存在過大的差異，造成人類無法感覺到外星生命的存在。舉例來說：我們生活的世界遍地都充滿了細菌，但是細菌由於體積大小和思維能力的限制，它們並不能理解人類的存在。人類就好像這些細菌，我們無法理解外星生命的形態。還有更誇張的說法認為，外星生命的生存維度與我們生活的三維空間不同，由於維度差異，我們也無法接觸到外星人。

再有一種比較流行的無法察覺說就是著名的「黑森林」法則了。宇宙就像一個黑森林，每一個文明都好像一個拿著獵槍的獵人，他們都具有摧毀其他文明的能力。一旦一個文明向外發射電磁波信號，就好像獵人在黑森林裡面燃起了一個火把，他的位置就會被曝光，其他文明為了自身的安全一定要先下手為強，摧毀這個暴露的文明。所以，所有文明都小心翼翼的隱藏自己的位置，儘量不把自己的信息暴露在其他文明面前。這也是小說《三體》中的故事背景。只有人類這種初級文明才會不停的向外發射無線電信號，希望找到外星人，同時把自己置於危險之中。比如1974年，阿雷西博望遠鏡向距離地球25,000光年的球狀星團M13發送了一串二進位數字組成的信號，稱為阿雷西博信息。如果信息被地外智慧生命所接收並正確解讀，會得到如右圖所示的信息，它們表示1-10數字、DNA結構、人的外形和太陽系的組成信息。

第三種解釋叫做「人類隔離」說，有一絲陰謀論的味道。這種說法認為：外星人早就知道人類的存在，但是刻意將人類進行了隔離。比如，有一種叫做「動物園假說」的解釋，認為外星人聯合起來對人類進行觀察，但是從不幹擾人類的活動，人類就好像動物園裡的動物一樣自由自在的生活，卻不知道自己不過是被人觀察的對象罷了。更進一步的「天文館假說」認為：人類存在於一個外星人造的天文館中，人們感覺宇宙浩瀚無垠，也沒有其他生命，這一切不過是外星人的設計罷了。

最誇張的「缸中大腦」假說認為人類早就被外星文明支配了，它們製造了一臺巨大計算機，由一個戴森球供給能量，人們的意識就是這個超級計算機模擬出來的，世界和人類其實都是虛擬的，與電影《黑客帝國》描繪的情景類似。

除了以上這些典型說法，還有許許多多的其他解釋。例如，有人認為在宇宙中存在著一個超級文明，它懷揣著終極武器觀察著這個宇宙，一旦有一個文明發展到足以威脅自身的程度，它就會消滅這個新文明，從而保證自己的霸主地位。

雖然人類已經走過了漫長的歷史，也有了許多科技成就，但是5000年的文明史相對於宇宙138億年的年齡，不過是一瞬之間。就在500年前，我們還在爭論地球究竟是不是平的，還在研究地球圍繞太陽旋轉還是太陽圍繞地球旋轉。在宇宙中，人類的發育依然處於胚胎階段，還有許多未知的問題等待著我們去探索。

李永樂老師：北京大學物理與經濟雙學士，清華大學電子工程碩士；北京市中學物理教師/物理競賽教練。從教十年，培養清華北大學生200餘人，國際奧賽、亞洲奧賽、國家奧賽金牌十餘名。

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