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费米悖论揭秘宇宙文明的命运 外星人在哪?

[2015-07-17] 作者:世界未解之迷网 阅读量: 分享到_微信朋友圈:

  人们看着璀璨星空时,会有各种各样的想法,有些人会震撼于星空之美,有些人会沉醉在这里,而星空里到底有没有外星人呢?

  费米所说的“他们”指的是外星人。他的意思并不是想知道外星人具体住在哪里,而是我们为什么到现在还没有发现外星人。按理说,宇宙的星体数量之多和年龄之长是惊人的,这意味着地外文明应该是广泛存在的。但事实与理论却不是一回事,所以费米认为这是一个悖论,科学界把这个现象称之为“费米悖论”。

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  下面我们从宇宙的尺度和年龄两个方面来说明为什么存在费米悖论,以及对费米悖论进行详细的解读。

  上篇 为什么说存在费米悖论?

  无数的星星

  真正的星空可以说是广阔无垠的,我们肉眼所能看到的大都是在我们附近的星体。在观测条件最好的夜晚下,我们可以直接看到大约2500颗恒星(而我们的银河系至少有1000亿颗恒星),而且它们大部分离我们不超过1000光年(或者相当于银河直径的1%左右)。所以我们肉眼能看到的实际区域如下:

  考虑到宇宙中这么多的恒星和星系时,一个令我们人类好奇的问题是,“在外太空有其他的智慧生命吗?”现在让我们通过数字来思考这个问题――

  就像我们银河系中恒星的数量一样(1000亿到4000亿),在能观测到的宇宙范围内,也有大致等量的星系――可以说,在这庞大的银河系里,每一颗恒星对应着外面一整个的星系。把宇宙中所有恒星都加到一起,其恒星数量大约在1022到1024颗之间,这意味着地球所有沙滩上每一粒沙子,都对应着外面大约1万颗恒星。

  对于所有的恒星中有多少比例的恒星与我们的太阳类似(类似的大小、温度和光度),科学家还没有定论,一般认为其比例大约是5%到20%之间。我们在这里取最保守的数值(5%),整个恒星的数量也取最小值(1022),这样算下来宇宙中大约有5万亿亿(5×1020)颗类似太阳的恒星。

  这里还有一个问题,就是这些类似太阳的恒星中,有多少像地球这样的宜居行星(具有同样的温度条件,能够维持液态水的存在,以此来为类似地球的生命提供支持)呢?有人说比例大约是50%,不过我们这里还是取一个保守值,为22%,这个数据来自《美国科学院院报》的最新研究结果。这就意味着,宇宙中所有的恒星中,至少有1%的恒星有类似地球的宜居行星,也就是说宇宙中大约有1万亿亿(1×1020)颗类似地球的行星。这就意味着地球所有沙滩上每一粒沙子,都对应着外面100颗左右类似地球的行星。下一次你到沙滩上时,可以好好地回味一下这个。

  如果我们要继续分析的话,我们除了猜测也就没什么其他选择了。所以我们假设,经过了几十亿年的演化,类似地球的行星之中有1%进化出了生命(如果这是正确的话,那么地球所有沙滩上每一粒沙子都对应着一颗左右具有生命的行星)。然后在假设这些有生命的行星有1%进化出了与我们类似的智慧生命,其结果是在可观测的宇宙之中大约有1亿亿(1016)个智慧文明。

  现在让我们来考虑我们的银河系,做同样的保守计算,得到的结果是,我们的银河系里大约有10亿颗类似地球的行星和10万个智慧文明。

  如果银河系真的有大约10万个智慧文明的话,那么即使他们之中只是一小部分尝试发射一些无线电波、或激光、或者其他各种方式来试图寻找其他的智慧生命,那么按理说那些捕捉天外信息的射电望远镜阵列应该会找到一些信号吧。

  但是事实是没有,连一个信号都没找到。

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  他们(外星文明)在哪儿呢?

  惊人的年龄

  怪事儿还有呢。考虑到我们宇宙的寿命,我们的太阳应该是一颗相对比较年轻的恒星。所以说宇宙中应该有更多年老的恒星,和年老的类似地球的行星,这意味着理论上应该存在文明程度远高于我们人类的地外文明。我们的地球诞生于45.4亿年前,那么现在我们假设在80亿年前诞生了一个行星X(见图一)。

  假设行星X与地球有着类似的历史,我们来看看到现在行星X上的文明变成什么样子了(图中用橙色时间段做对比,来显示绿色的时间段的长度)(见图二)。

  一个领先我们1000年的文明,其知识和科技就足以震撼我们,如同一个来自中世纪的人面对我们现在的世界时一样。而一个领先我们100万年的文明与我们的差距,相当于人类文明与黑猩猩之间的差距。更何况行星X上的文明领先于我们34.6亿年。

  俄国科学家卡尔达肖夫曾在1964年提出一个称为“卡尔达肖夫指数”的方法,来计算宇宙文明的级别。它根据各个文明可以驾驭的能源总量,把文明分为三个层次:

  I型文明具有驾驭自己行星上所有能量的能力。显然,我们人类还不能完全驾驭地球上的所有能量,因此,还没有达到I型文明。美国天文学家卡尔・萨根经过计算后,得出的结果是现在我们人类应该是0.7型文明,可能再过100到200年左右我们才能达到I型文明。

  II型文明具有驾驭自己恒星上所有能量的能力。对于准I型文明的我们,还无法理解这样的文明是怎么做到这一点的。不过我们猜测,这样的文明可能是利用“戴森球”(见下图)来获取能量的。

  戴森球是美籍英裔数学物理学家弗里曼・戴森假想出的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。戴森认为戴森球是长期生存的技术文明对于能量需求增长的必然结果,并认为寻找其存在的证据可以引导发现地外高等生命。

  III型文明具有驾驭自己整个星系上所有能量的能力。这种文明对于我们来说,完全是不可思议的。如果领先我们34.6亿年的X行星上的文明和我们人类有类似的发展历程的话,并且可以在向III型文明进化时始终有能力生存下去,那么最自然的推测是他们现在应该有能力实现星际旅行了,甚至已经殖民整个星系了。

  如何殖民整个星系,这里有一种假设描述了这个过程。首先这个文明必须有能力建造出某种飞行器来抵达其他行星,然后在这个新的行星上重新复制出文明,假设这个过程花费500年左右的时间。然后这两个文明再分别派遣新的飞行器去殖民其他行星。即使飞行器的速度不能接近光速,这种殖民过程的速度也是很快的。计算结果显示,殖民整个星系只需要375万年左右的时间(见第8页图三)。这种时间对于几十亿年的尺度,只相当于一个眨眼的瞬间。   继续推测,假设只有1%的智慧生命可以存活足够长的时间的话,则有能力成为可殖民整个星系的III型文明,根据之前的计算,这说明仅在我们的银河系里至少应该有1000个III型文明,而且鉴于他们文明高度发达,他们的存在将是不可能不会被发现到的。然而,我们啥也没看见,啥也没听见,除了我们自己。

  他们在哪儿呢?

  我们现在还没找到费米悖论真正的答案。如果你去问10个不同的科学家,什么样的解释是有可能是最正确的,那么你可能会得到10个不同的答案。你可能知道在过去人类文明发展过程中的一些争辩,例如地球是否是圆的,太阳与地球谁绕着谁转,或者闪电是否是由宙斯(古希腊神话中的宇宙之王)发出的等等,那时候人们都好像处在迷雾之中一样搞不清楚。同样,我们现在的人类面对费米悖论时也是这种状况,而我们能做的只能是寻找可能的解释。

  现在我们来考虑费米悖论最有可能的解释,这种解释可以分为两类。一种解释认为之所以没有发现II类和III类文明,是因为这样的高级文明是不存在的;另一种解释是这样的文明是存在的,只是由于其他的原因导致我们没有发现他们。

  第一类解释:高级文明是不存在的

  有学者认为,太阳系之外是有高级文明的,没有一个文明与我们进行任何种形式的沟通是因为他们都怎么怎么样。但是根据理论计算,宇宙中似乎应该有成千上万II类和III类这样的高级文明,即使有各种复杂原因阻止了99.99%的高级文明与我们联系,也会有0.01%的文明成为漏网之鱼,这样我们就可能早已发现他们的存在。所以说,只有所有的高级文明是不存在的,才是最为合理的解释。

  那么,发生了什么事情导致高级文明不存在呢?

  这种事情被称为大筛选(或大筛子)。大筛选理论认为,在生命进化的过程中,有一个生命很难或无法跨越的阶段,阻挡了生命的产生或继续发展。这个阶段就是大筛选。

  如果这个理论是正确的话,那么最大的问题是,大筛选是什么时候发生的呢?

  事实上这个问题涉及到我们人类的命运,所以这个问题反而变得很重要了。依据大筛选所发生的时间,我们将有三种可能的命运:我们是稀有的,我们是领先的,或我们是要完蛋的。

  1、我们是稀有的(大筛选被我们甩在后面)

  这种观点认为,大筛选已经被我们甩在后面――我们成功地穿越了大筛选这堵墙,而这也意味着任何生命想要达到我们人类目前的文明水平是极端的稀少。下面的图表说明了只有两种文明穿越了大筛选,而我们是其中之一。

  这种观点可以解释为啥没有III类文明,另外这意味着我们之所以能走到现在,因为我们是其中极少数的特例,这也说明我们未来的命运是满有希望的。虽然这种说法听起来有点类似500年前人们认为地球是宇宙的中心的一样,不过根据“人择原理”,如果我们不是特殊的话,那么也就没有发问的我们了。

  如果我们是特殊的,那么是什么时候使我们变成特殊的呢?――可以这么问,除了我们,具体是哪一步使得几乎其他所有的文明都无法继续发展下去了呢?

  一种说法是,大筛选位于最开始的地方――生命的诞生也许是极其罕见的。这个观点很有道理,就拿地球来说,地球经过了10亿年才开始出现生命,而且今天科学家们不停地尝试在实验室中产生生命,但没有一次成功过。如果大筛选从一开始就出现的话,这说明地球之外不仅没有智慧生命,甚至连生命都没有。

  另一种说法是,大筛选位于从简单的原核细胞进化到复杂的真核细胞的过程。在地球上,原核细胞诞生之后,停滞了20亿年之后才进化成更复杂的有细胞核的真核细胞。如果大筛选是在这儿出现的话,这说明宇宙可能充满了原核细胞,但除此之外几乎什么也没有了。

  当然还有很多种其他的可能。例如,大筛选可能位于我们人类成为智慧生命的过程中。从生物学角度来看,准智慧生命(黑猩猩)到智慧生命(人类)的发展过程并不是一个必然的结果。我们要知道,进化本身并没有什么目的性,它只是使得生物进行改变以此来适应生存的环境。既然在地球上目前只进化出一种智慧生命,那么这暗示着这种进化结果只是一个罕见的事件而已。

  其他大部分过程都没有资格成为大筛选的候选者。因为任何一种大筛选必须具有允许特例发生的概率是“万亿里挑一”的特点。基于这一点,像从单细胞生命转变为多细胞的这个转变过程就不具有资格。因为仅在地球上,在不同的彼此隔绝的地方,这个转变就发生了46次。同样,如果我们在火星上发现了真核细胞生物,那么这也意味着大筛选也不在从简单细胞到复杂细胞的这个过程中,因为既然地球和火星都能发生,那就不符合“万亿里挑一”的特点。

  如果我们的确是稀有的,可能是因为这是生物学上的罕见事件,也可能是所谓的地球殊异假说的结果。这个观点认为,尽管宇宙中有很多类似地球的行星,但是地球上特有的而其他行星少有的条件,例如太阳系本身的特别之处,地球和月球的关系(月球对地球的气候和海洋有着重要的影响,而且对于地球来说有一个这么大的月球有点不寻常),或者地球本身的特别之处,对智慧生命的形成起到了至关重要的作用。

  2、我们是领先的

  相信第一类解释的学者认为,如果大筛选没有在我们的后面,那么一种可能是,自从大爆炸到现在,宇宙最近才第一次达到产生智慧生命的条件。如果这样的话,我们和其他的地外文明可能都处在向更高文明发展的路上而已。而且我们凑巧是第一个诞生的智慧生命,而且也可能会是第一个抵达更高层次文明的生命。因此,宇宙生命发展到现在,可能还没有出现过大筛选,我们没发现外星文明,可能是我们正好领先而已。

  这里有一个天文现象可能佐证这个观点,也就是来自于遥远星系之外的伽玛射线暴(遥远星系之外意味着这个现象是发生在很久以前)。我们知道,地球诞生之后常有小行星的袭击、火山的爆发等等,直到几亿年之后这种现象才消退,使得生命的诞生才有可能。同样,宇宙早期可能也充满了极端的事件,例如像伽玛射线暴会把周围一切烧成灰烬,阻断这里生命的进化过程。宇宙从不具备到具备产生智慧生命的条件,这个过程被称为“天体生物学的相变”,现在我们的宇宙也许就处在这个相变的中间态中,第一次为生命连续长时间进化提供了条件。   3、我们是要完蛋的(大筛选在我们的前头)

  如果都不是上面两种情况的话,那么大筛选必然在我们的未来。这意味着生命一般都可以进化到我们目前的水平,但是由于某种原因阻止了几乎所有生命进一步向前进化并达到高级文明的脚步,而我们人类也同样有可能无法穿过未来的大筛选。

  处在未来的大筛选,可能是各种极端的宇宙事件造成的,例如前面所说的伽玛射线暴,也许它们现在仍会发生。如果发生在地球附近,那么瞬间地球上的生命都会一命呜呼。另一种可能的原因是,几乎所有的智慧文明只要其科技达到一定水平,都有自我毁灭的趋势。

  所以有人就说,“没有消息才是好的消息。”比如说吧,假设我们真的在火星上发现了复杂的生命,这就是说小小太阳系就有两个星球诞生生命了,说明生命诞生以及进化可能是很容易的,所以大筛更有可能出现在高级文明阶段。如果是这样的话,我们在未来可能会面对灭顶之灾。

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  相信第二类解释的学者抛弃了我们是稀有的、或是特殊的、或是领先的等这样类型的概念,他们相信的是平庸原理,也就是说我们的银河系、太阳系、恒星或者是我们自己,都不是特殊和或稀有的。他们也不认为,没有找到高级智慧文明就可以作为他们不存在的证据,不要忘了我们目前现有的技术所能搜寻到的信号范围大都处在离我们100光年以内。下面我们来列举10个导致我们没有发现高级智慧生命的原因。

 

  猜测1)高级智慧生命可能已经光临过地球了,但这是发生在我们现代文明出现之前。我们要知道,人类现代文明从诞生到现在只有5万年,对于宇宙的年龄来说,可以说是比一瞬间都短的时间。如果高级智慧生命在此之前来到这里,他们可能只看到一群野鸭受到惊吓跑到水面上而已,然后就没什么了。另外,人类有记载的历史只有5500年左右,可能早期的狩猎部落经历过很疯狂的外星人事件,但很可惜他们找不到很好的办法告诉后人。

  猜测2)银河系已经被殖民了,不过我们正好处在银河系未殖民的荒芜地带。例如,住在加拿大北部的因纽特人很长时间都不知道,南边的美洲大陆早已被欧洲人殖民很久了。银河系也许存在一个星际大都市,也就是说这个区域内的各种恒星系统都被殖民了,而且彼此之间可以便捷地沟通,而那些高级智慧生命基本都在那里居住,所以也就没有必要大费周折跑到我们这个偏僻的地方来开拓领地。

  猜测3)传统的殖民化这个概念对于高级智慧生命来说可能是个搞笑的落后概念。记得前面提到的II类文明在他们的恒星上建的球壳吗?借助这个看似无穷的能量,他们也许制造出了一个可满足自己需要的理想生存环境。他们也许有一个极为高端的方法控制自己不断增长的能源需求,这样他们对离开自己的乌托邦去探求外面冰冷荒芜的宇宙恐怕就毫无兴趣了。

  也许更为高级的智慧生命会认为,整个物理世界是一个糟糕的原始地方,他们早就征服了生命科学,并把自己的大脑上传到虚拟现实的永生乐园。他们看待物理世界的那些概念的态度,例如死亡、需求和欲望等等,如同我们看待生存在深海里的原始海洋生物一样。

  猜测4)宇宙之中可能有恐怖的侵略性极强的文明,其他大部分智慧生命都知道最好别向外发送信号表明自己的所在。这种观点正好可以解释为啥人类还没发现任何天外文明的信号。这也意味着我们可能是宇宙各种文明中极其幼稚的菜鸟,而且是难以置信的愚蠢,竟然冒着灭顶之灾的风险向太空之外发送我们存在的信号。在学界的确在争论我们是否应该向地外文明发送消息,许多学者表示我们不应该这么做。英国物理学家斯蒂芬・霍金就警告过,“如果外星人到访地球的话,其结果可能和哥伦布到达美洲大陆时的情景差不多,那对美洲的土著居民可不是什么好事。”而卡尔・萨根,虽然他相信任何可以进行星际旅行的高级文明都是友善的,但他也认为向地外文明发送消息也是“十分不明智和不成熟的”,并建议“对于在这个陌生的充满不确定的宇宙中刚诞生的我们来说,我们应该用足够的时间先去安静地聆听,耐心地了解这个宇宙,然后再做衡量,而不是直接向这个我们不理解的未知森林发出喊声。”害怕了没?

  猜测5)宇宙里只有一种超级智慧生命――一种超级掠夺者(如同人类在地球上的地位)――他们的先进程度超过了其他文明,一旦发现有其他文明达到了某种水平,他们就会把这样的文明消灭掉。对于这种超级智慧生物来说,要灭掉所有的新兴的智慧文明太费力了,反正他们大多数也会自行灭亡。不过一旦其他智慧文明的发展超过了某种水平,超级智慧生物就会对他们采取行动。因为对于超级智慧生物来说,这种新兴的智慧文明会变得像病毒一样开始向外扩张,会威胁到超级智慧生物本身。这个理论也说明,谁要是第一个达到了这个临界水平,谁就赢得了这个宇宙,而其他的文明就没机会了。这个理论可解释为啥找不到地外文明,因为这使得宇宙里只有一种超级智慧生命。

  猜测6)太空之外其实有许多活动和信号,可惜我们的技术太初级了,或者听取的方式不对。就像走入一间现代的办公大楼里,你打开对讲机,发现听不到任何动静(当然你听不见了,每个人都在用手机打电话而不是在用对讲机),然后你就认为这个大楼是空的了。或者,就像卡尔・萨根所指出的,可能是我们大脑运转的速度比地外智慧生物更快或更慢,例如他们可能需要12年才说完一句“你好”,当我们听到这种消息时,对我们来说可能就像白噪音似的。

  猜测7)我们已经与其他智慧生命联系上了,只不过政府掩盖了这个事实。这是一种流传已久的阴谋论。例如,许多人曾认为,美国的51区是外星人研究基地。有人坚信美军将捕获的外星人关押在里面进行秘密研究,也有人认为,美国政府跟外星人达成了某种协议,甚至有人认为美国政府是已经被外星人控制的傀儡政府……不过目前来说都没有任何确凿的证据能证明这种观点。

  猜测8)高级智慧生命已经发现并暗中观察着我们(也就是动物园假说)。高级智慧文明可能是存在的,他们把我们的地球当成巨大的被保护的国家公园,而且还坚守着“只许看不许摸”的原则。我们可能没注意到他们的存在,因为他们应该是很聪明的生物,能做到观察我们的同时不被发现。这个有点类似美国科幻影视系列《星际迷航》中的“最高指导原则”,即禁止高级文明去接触比他们低的文明,除非这个低等文明达到了某种水平。   猜测9)高级智慧生命就在这儿,就在我们的身边。但是我们太低等了,没有察觉到他们。美籍日裔物理学家加来道雄曾经说过下面这样的话:“让我们假设,丛林深处有一堆蚂蚁修建的蚁丘,在蚁丘的旁边,有人类正在修建的10车道超级高速公路。问题是,蚂蚁会理解这个10车道超级高速公路是什么吗?蚂蚁有能力理解这个建设中的高速公路所使用的技术及其用途吗?”

  所以,并不是我们不能使用我们的技术来找到行星X发出的信号,而是我们完全无法领会行星X上的生命是什么或者他们在做什么。他们比我们先进太多了,他们如果想教导我们,就像我们想让蚂蚁去理解什么是互联网一样困难。

  既然如此,那么自然要回答的问题是,“既然有这么多的III类文明,为啥他们不联系我们呢?”为了回答这个问题,我们可以去问我们自己――当西班牙殖民者法兰西斯克・皮泽洛征服秘鲁时,他有停下来到蚁丘去尝试与蚂蚁沟通了吗?他会宽宏大量地去帮助蚁丘上的蚂蚁了吗?他有没有变得很敌意,以至于停下原来的计划去破坏蚁丘?还是蚁丘对于皮泽洛来说,是完全无关紧要的呢?这也许就是高级智慧生命面对我们时的情况。

  猜测10)我们所理解的现实是完全错误的。这里有很多种理论来表明我们所认识的这一切根本不是我们所想的那个样子。例如宇宙可以表现出这种样子,但事实可能是另一种样子,例如是一种全息图。或者我们是外星人的实验品,他们把我们种植在地球上来做实验。或者,我们都可能是某种来自其他世界的研究人员通过一个超级电脑模拟出来的等等。

  思考没有结束

  上面这些解释,有些部分听起来像科幻小说了。的确,现在许多讲述外星人的科幻作品的情节都是基于一种费米悖论的解释来开展的。不过现实中,费米悖论真正的解释是什么,我们还不得而知。也许,当我们知道最终答案时,会大吃一惊。

  另外,思考费米悖论的同时,我们也应该考虑我们人类是否太过自大了呢?在地球上,我们统治着这个星球,是这个领土的王者并以此为傲,挥霍着自然资源,把大量的精力投入到权力的斗争之中。然而,面对II类或III类文明,我们的这点自豪感瞬间化为乌有,我们过去的行为可能如同小丑一样荒诞可笑。

  在这广袤的宇宙之中,我们人类只是居住在微小岩石上的一群孤儿,而且我们可能不是我们想象中的那么聪明,甚至我们所确信的许多事情可能都是错误的。所以说,解答费米悖论,探寻地外生命,不只是能满足人的好奇心,它也有助于我们正确理解这个世界,和我们自己。

    
    

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