费米悖论

2018-10-15阅读

1950年的一天,诺贝尔奖获得者、物理学家费米在和别人讨论飞碟及外星人问题时,突然冒出一句:“他们都在哪儿呢?”这句看似简单的问话,就是著名的“费米悖论”。


“费米悖论”隐含之意是,理论上讲,人类能用100万年的时间飞往银河系各个星球,那么,外星人只要比人类早进化100万年,现在就应该来到地球了。换言之,“费米悖论”表明了这样的悖论:A.外星人是存在的——科学推论可以证明,外星人的进化要远早于人类,他们应该已经来到地球并存在于某处了。B.外星人是不存在的——迄今,人类并未发现任何有关外星人存在的蛛丝马迹。 阐述的是对地外文明存在性的过高估计和缺少相关证据之间的矛盾

在1950年的一次非正式讨论中,诺贝尔奖获得者、物理学家费米在和别人讨论飞碟及外星人的问题时,突然冒出一句:“他们都在哪儿呢?”,如果银河系存在大量先进的地外文明,那么为什么连飞船或者探测器之类的证据都看不到。

对这个话题更加具体的探讨最早出现在1975年麦克·哈特的文章中,有时也被叫做麦克·哈特悖论。另一个紧密相关的问题是大沉默——即使难以星际旅行,如果生命是普遍存在的话,为什么我们探测不到电磁信号?

有人尝试通过寻找地外文明的证据来解决费米悖论,也提出这些生命可能不具备人类的智慧。也有学者认为高等地外文明根本不存在,或者非常稀少以至于人类不可能联系得上。地球殊异假说有时被认为为费米悖论提供了一种解释的答案。

从哈特开始,很多人开始发展关于地外文明的科学理论或模型。大部分工作都引用费米悖论作为参考。很多相关的问题已经得到重视,内容包括天文学、生物学、生态学和哲学。新兴的天体生物学给问题的解决引入了跨学科的研究手段。

费米悖论亦称费米佯谬,在费米提出之后,该佯谬得到了不断的发展,如今被称为“齐奥尔科夫斯基(K. Tsiolkovsky)·费米·维尤因(D. Viewing)·哈特(M. Hart)·蒂普勒(F. Tipler)佯谬”,这些人都曾参与了费米佯谬的讨论并提出了重要观点。

1959年,《Nature》发表了一篇想象力十足的文章《寻求星际交流》——它如今已被该领域研究者奉为“经典中的经典”,两位天文学家科科尼和莫里森提出,可以利用微波辐射来探测银河系其他文明的构想。之后天文学家弗兰克·德雷克(Frank Drake)提出了两道方程解,被称为德雷克公式 (又叫德雷克方程 ):

公式1为:N=Ng×Fp×Ne×Fl×Fi×Fc×FL

公式2为:N=R*×Fp×Ne×Fl×Fi×Fc×L

其中:

N 代表银河系内可能与我们通讯的文明数量

Ng银河系内恒星数目

fp恒星有行星的比例

ne每个行星系中类地行星数目

fl有生命进化可居住行星比例

fi演化出高智生物的概率

fc高智生命能够进行通讯的概率

fL科技文明持续时间在行星生命周期中占的比例

公式2与公式1的区别在于R*替代了Ng,L替代了fL。

R*为银河系形成恒星的平均速率,

L为科技文明寿命

德雷克公式 [2]  用来估测银河系中存在地外文明星球的数量是多少。“德雷克方程”被看作是理论上对费米佯谬的第一次正式回应。

但科学家不同意很多公式中变量的值(可以严谨地说德雷克公式计算于银河系中且我们可能接触的外星生物的数量,而不是有生命的机率)。取决于不同的值,方程式可以暗示生命的形成是频繁或稀少的。德雷克计算我们在任何时间可能接触的外星生命只有1个。

1975年,哈特在皇家天文社会学学报上发表论文《关于地球上地外文明缺席的解释》,首次把费米佯谬作为一个严肃的概念来讨论。针对费米的问题,他提出四种解释:1、对地外文明而言,进行星际旅行还不可行。2、从动机分析,地外文明不打算和人类进行接触。3、地外文明刚刚出现不久,和人类的接触还需要一段时间。4、地球已经被外星文明拜访过了,只是我们不知道而已。哈特逐一进行讨论后,认为以上四个理由都不成立,由此得出的反推结论只能是:地外文明根本不存在。

哈特的文章获得了出奇高的关注率,大量的科学家开始积极关注费米佯谬,并提出了自己的意见。以观点激进而闻名的蒂普勒极力主张,用一种理论上能进行自我复制的“冯·诺依曼探测器”来代替无线电搜索。格瑞恩在论文《大沉默:关于地外智慧生命的争论》中,则认为德雷克方程的各项参数设置存在缺陷,并提出补充建议。

费米悖论讲述的是有关尺度和概率的论点和稀缺的证据之间的矛盾,宇宙显著的尺度和年龄意味着高等地外文明应该存在。但是这个假设得不到充分的证据支持。

费米悖论的第一点,即尺度问题,是一个数量级估计:银河系大约有2500亿(2.5 x10^11)颗恒星,可观测宇宙内则有700垓(7 x 10^22)颗。即使智慧生命以很小的概率出现在围绕这些恒星的行星中,那么仅仅在银河系内就应该有相当大数量的文明存在。这也符合平庸原理的观点,即地球不是特殊的,仅仅是一个典型的行星,具有和其他星体相同的规律和现象。有人用德雷克公式来支持这个论点,尽管这个式子的基础正在受到质疑。

费米悖论的第二点是对尺度观点的答复:考虑到智慧生命克服资源稀缺的能力和对外扩张的倾向性,任何高等文明都很可能会寻找新的资源和开拓他们所在的恒星系统,然后是涉足邻近的星系。因为在宇宙诞生137亿年之后,我们没有在地球或可观测宇宙的其他地方,找到其他智慧生命存在的切实可靠的证据;可以认为智慧生命是很稀少的,或者说我们对智慧生命的一般行为的理解是有误的。

在物理学家史蒂芬·韦伯2002出版的《地外文明在哪儿?》一书中,列举了费米佯谬的50种解决方案,主要可以归纳为以下三个方面

一、宇宙中不存在别的文明。

二、外星文明是存在的(或曾经存在过),但它们迄今为止还无法和我们接触。

三、外星文明已经来到地球,只是我们不知道。

米悖论可以表述成两种形式。一种是“为什么没有发现外星人或者外星物品?”如果星际旅行是可行的话,即使是用人类造的飞船这样缓慢地旅行,也只需要5百万到5千万年去征服星系。就算不考虑宇宙尺度,在地质学尺度上这也是一个相当短的时间。因为有很多年龄比太阳更大的恒星,或者因为智慧生命可能进化得更早,这个问题就变成为什么星系还没有被殖民。即使殖民对所有外星文明来说是不合实际的或者是不想去做的,大规模的星际探索也应该是有可能(探索的方式和理论上的探测器会在下文具体讨论)。然而没有任何关于殖民和探索的证据得到承认。

星际旅行的次数问题就足以解释为什么地球上缺少外星生物的证据。但是问题就变成“为什么我们看不到智慧生命的迹象?”,因为足够高等的文明应该能在可观测宇宙的较大范围内被看见。即使这些文明是很稀少的,尺度问题的讨论暗示他们可能在宇宙历史中的某一段存在过。因为他们在相当长的一段时间内能够被观测到,我们视野范围内应该能找到很多他们起源地的迹象。然而没有任何确切的地外文明的观测证据。

相同的以尺度和机率的角度与视野来观察,地球属于适居带的行星,拥有且满足一切生物物种维持生命、生存和演化的所有条件,然而事实上从地球历史中的显生宙开始至今,在这长达五亿多年的岁月间和数百万的生物物种中,只有一个物种成功的演化成为高等智慧生命-“人类”,而非多种多元的高等智慧生物并存于地球上,这显示了在“相同条件”下,“高等智慧生命”并非如此的轻易出现和存在。同地球殊异假说一般,这或许为费米悖论提供了一个答案。

“费米悖论”自成,在天文学界就有着相当的影响,因为它是基于科学探知的事实:古老的银河系,已有约100多亿年的年龄,而银河系的空间直径却只有大约10万光年,就是说,即使外星人仅以光速的千分之一翱翔太空,他们也不过只需1亿年左右的时间就可以横穿银河系——这个时间远远短于银河系的年龄。而且仅从数学概率上分析,在浩瀚的宇宙里,应该有着众多的类似地球的适合于生命存在的星体。并且这其中,有些星体的年龄要远远大于地球,因此,它们上面的生命进化,也要远远早于地球上的人类。

“费米悖论”生成几十年来,人类对太空的探索已有长足的进展。宇宙飞船已经参观或探测了太阳系中绝大部分的行星及其主要卫星,天文学家还追踪了成千上万颗星球发出的微波信号。但是,这些搜寻行动一无所获,人类并没有发现能够证明外星人存在的生命信号。“费米悖论”的实质就是否定外星文明的存在:既然我们至今还未发现外星人的蛛丝马迹,为什么还要相信它呢?

“费米悖论”在天文学界广有市场,许多著名的科学家对此持赞成的态度。

中国作家刘慈欣的科幻小说《三体Ⅱ黑暗森林》以“黑暗森林”法则(宇宙社会学)对费米悖论进行了一种可能的解释。其大意是指:宇宙中诞生的文明,由于相互之间距离极其遥远,使得文明之间的沟通非常困难;各星球上诞生的文明,其思维方式、价值观、甚至基本逻辑思维方式和基本生命构成都有着巨大的差距。正由于各文明之间距离上的遥远性、互相所构成的猜疑链、以及各自在技术水平上发展的不均衡性,一旦被外星文明获知自己的存在,就很可能给自身的生存带来威胁。其结果必然导致:具有一定成熟度和技术水平的文明,都意识到宇宙的丛林法则,各文明不主动暴露自身的存在。“宇宙形如黑暗森林,各个文明形如黑暗森林中孤行的猎人”。依此解释了费米悖论“外星人在哪呢?”的问题。按照“黑暗森林” 理论,成熟的文明都拥有“清理其他文明”和“隐藏自己”的本能。所以他们不会贸然出现,更不会暴露自己的位置。

解决费米悖论最显而易见的方法就是找到地外文明存在的证据。自1960年来有各种各样的尝试,很多项目仍在进行之中。因为人类没有星际旅行的能力,这种探索只能是远距离进行的,而且要求对细小的线索做仔细的分析。

这种限制导致我们只能去探索那些对环境造成显著影响的文明,或者是该文明产生了能被远距离探测的信号,比如射电辐射。对于没达到相应技术水平的文明,在不远的未来都不太可能被地球探测得到。

寻找地外文明要注意避免过于以人类为中心去看待线索。我们总是习惯地以为,探测到的现象会相似于人类活动能够产生的现象,或者会和人类获得先进科技之后能产生的现象一样。然而,智慧外星生物的行为可能不符合我们的预测,或者以对人类来说完全新颖的方式表现出来

费米悖论无论是对于天文学界,还是对于科幻圈来说,都是一个开放式问题。每个人都可以提出自己的答案,在真正正式接触到外星人之前,没有人知道这个问题的正确答案。不过从数学概率及逻辑上分析,在浩瀚的宇宙里,应该有着众多的类似地球的适合于生命存在的星球。

美国天文学家雷克于1960年提出了一条用来推测“银河系内可能与我们接触的文明数量”的方程,这就是著名的“德雷克方程”——N=Ng×Fp×Ne×Fl×Fi×Fc×FL(其中N代表银河系内可能与我们通讯的文明数量,Ng银河系内恒星数目,Fp恒星有行星的比例,Ne每个行星系中类地行星数目,Fl有生命进化可居住行星比例,Fi演化出高智生命的概率,Fc高智生命能够进行通讯的概率,FL科技文明持续时间在行星生命周期中占的比例)。

美国天文学家、科普作家卡尔萨根估计,依据德雷克方程,存在地外智慧生命的星球数量应该为100万颗;美国科幻作家阿西莫夫则认为,这样的星球应有67万颗;而法兰克 德雷克本人较为保守的估计为10万颗。

英国天体生物学家沃森曾参照地球智慧生命的演化过程,建立过一个数学模型,分析结果显示,在其他行星上找到智慧生命的可能性非常低。他认为,任何一颗行星都不会为生命的演化提供无限长的时间;像地球这样的行星,其适合生命生存的时期受太阳亮度的影响,超过一定的时间后,适合生命生存的时期将随之结束。其结论是:如果假定生命演化的时间为40亿年,那么,在一颗类地行星上出现智慧生命的可能性不超过0.01%。

现代天文学确证:地球人的出现是宇宙演变的结果;由于自然法则在宇宙中具有普遍性,导致地球人诞生的因素也会出现在苍茫宇宙的某处。因此不少科学家坚信:宇宙中存在外星人。


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