深度解析“费米悖论”：外星人到底在哪里？（上）-- 迪族网

深度解析“费米悖论”：外星人到底在哪里？（上）

来源：宇宙探索　2023-04-25 18:32:32

这个问题与费米悖论所探讨的问题相近，我们为什么没有在太空中看见一个智慧生命的影子。自从费米悖论出现以来，人们尝试了很多不同的解释，大致可以分为 3 类。

费米悖论

(资料图片)

宇宙浩瀚无垠，尺度之大超出我们的想象。然而，当我们面对或者波澜壮阔，或者光怪陆离的天文奇观，目不暇接的时候，却往往会生出这样的疑惑：除了我们，宇宙中还有其他智慧生命吗？它们在哪里？物理学家恩里克费米也提出了这样的问题。

1.银河系中有数十亿和太阳类似的恒星，其中很多比太阳系古老 10 亿年以上。

2.其中一些恒星很可能会有类似地球的行星，它们很可能也会孕育智慧生命。

3.其中部分智慧生命可能会发展出星际飞行的科技。

4.即使以我们现在能够想象的科技飞行，它们也能够在一百万年内飞遍整个星系。

但是，我们为什么没有在太空中看见一个智慧生命的影子呢？这就是著名的费米悖论(Fermi Paradox)。

如果宇宙中存在科技水平远远超过人类的智慧生命，它们会用怎样的方式来发展自己的文明呢？戴森球是一个著名的设想。一个可以利用恒星所有能量的 II 型文明可以建造一个包含整个恒星的巨大球壳，完全吸收恒星的辐射能量。

一个完整的壳体从工程上来说难度很大，所以比较可行的方案是建造大量卫星或太空城市，让它们像蜂群一样围绕恒星旋转。这种戴森蜂群（Dyson Swarm）从技术上来说起点很低，而且可以逐步增加。似乎我们今天的技术距离这个设想也不太遥远。

戴森球遮住了恒星的可见光部分，所以会让恒星从肉眼或光学望远镜中消失，但是它自己却会因为吸收能量，温度升高而释放出红外线。在特殊的天文仪器下，这种红外线辐射就像黑夜中的蜡烛一样明显。

如果对于先进的外星文明来说，戴森球也是一个合理的设想，那么，我们应该看见银河系中大量恒星都被掩盖在戴森球内，只向我们发出黯淡的红外线。然而，我们目前连一个戴森球也没有发现。这个问题就是戴森困境（Dyson Dilemma）。

如果一个外星文明想要把自己的领地扩散到整个星系，它并不需要很高的速度。一个低速文明可以制造大量可以自己复制的冯诺依曼探测器（Von Neumann probe），把它们朝各个方向射向太空。当它们降落在行星上时，可以利用行星上的材料复制自己，然后继续在星系中扩散。假如一个外星文明觉得这是一个可行的方案，那么它只需要几百万年的时间就能把探测器布满整个银河系。

几百万年看起来很长，但是和宇宙 140 亿年的年龄相比，只是时间长河中的一朵小小浪花。然而，我们也没有观察到哪怕一个来自外星文明的冯诺依曼探测器。

自从费米悖论出现以来，人们尝试了很多不同的解释。总的来说，这些解释大致可以分为 3 类。

2. 第一类解释：智慧生命在宇宙中十分稀少

稀有地球假说（Rare Earth hypothesis）

费米悖论的前提是，宇宙中的恒星和行星数量都很大，应该能产生很多像地球人类这样的文明。但是，「稀有地球」假说却认为，事实并非如此。从下面列举的因素中，你可以看到像地球这样的行星，在宇宙中是多么稀少。

成年的稳定星系

幼年的星系十分活跃，含有大量像类星体（Quasar：星系核中的活跃黑洞）和超新星这样的宇宙杀手，它们释放出的辐射可以杀死一切生命。而像银河系这样的成年星系早已度过了放荡不羁的少年时光。如果没有和其他星系碰撞合并，它只会在平静中走向时间的尽头。

另外，幼年星系中恒星都比较年轻，构成生命必需的重元素（氢和氦以外的元素）很少，而且多数集中在星系核，而强烈的辐射已经把这里变成了生命的禁区。

星系内的宜居带

和恒星系一样，星系内也有宜居带。生命诞生需要在恒星中合成的重元素，并且必须远离恒星活动剧烈的星系核和旋臂，以避开强烈的辐射区域。这样，宜居带只能在星系中部的环形区域。以银河系为例，它的宜居区就是距离中心 13000 到 33000 光年的环形区域。

很多恒星在星系中的公转轨道偏心率很大。在距离星系核很近的时候，它们可能会穿越一些危险区域，所以这样的轨道会周期性的清除刚刚冒头的生命萌芽。

合适的恒星

大型恒星寿命很短，比如蓝巨星的寿命往往只有几百万年，远远不够复杂生命的出现和演化。而小型恒星（红矮星）虽然寿命很长，但是它们却并不适合于生命星球。它们的能量输出功率很小，生命行星只能紧挨着它才能取暖。但是红矮星的能量输出极不稳定，常常会用狂暴的能量喷发把近轨道的行星烤焦。只有像太阳这样的中型恒星才能为生命提供稳定而且足够的能量来源。

宇宙中很多恒星位于双星系统中。两颗恒星之间的引力干扰会严重影响行星的轨道，往往导致行星被抛出轨道，在寒冷孤寂的太空中独自流浪。如果太阳有一颗伴星，那么在它们互相接近的时候，伴星的引力会扰动奥尔特云，把大量的彗星送进内太阳系，给地球生物圈带来灭顶之灾。

恒星系的宜居带

恒星系内的宜居带指距离恒星不太远，也不太近，温度适合液态水存在的区域。只有在这个区域内，我们已知的生命形式才能产生和演化。

但是，我们应该意识到，宜居带是一个动态的区域。恒星在它的生命周期中，输出能量不停发生变化。比如，太阳从诞生到今天，输出功率一直在提高。同时，宜居带也会随之移动。在这个过程中，行星必须一直停留在宜居带内，才能让智慧生命诞生，并且发展到星际文明阶段。

同时，行星公转轨道的偏心率也是一个不容忽视的问题。如果偏心率太高，行星在宜居带和非宜居带之间来回穿行，生命是不可能萌芽的。

大行星护盾

在太阳系中，木星是内太阳系行星的护盾。它用巨大的引力清空了自己轨道附近的小行星，并且抵挡住多数来自外太阳系的小行星炮弹，让地球生物有一个安定的环境，可以按部就班地发展。对于其他恒星系来说，拥有这样一个大行星护盾对智慧生命的发展也是极为有利的。

然而，这只是一种未经证实的假说。木星确实为地球抵挡了很多来自外太阳系的小行星和彗星轰炸，但是同时也把很多原本不会进入内太阳系的小行星和彗星拉了进来。把两者的效果结合起来看，木星对地球到底是有利还是有害，目前并没有定论。连最近的计算机模拟也没有给出确定的答案。

没有热木星

热木星（Hot Jupiter）是指距离恒星非常近的气态巨行星。它们通常形成于距离恒星较远的地方，通过轨道迁移来到恒星身边。如果有一个热木星在近恒星轨道运行，它的巨大引力会慢慢把周围的类地行星从宜居区拖出去。另外，热木星的迁移路线会和类地行星的轨道交叉，所以它的迁移过程很可能已经毁灭掉类地行星上的生命环境了。

从现在对太阳系外行星的探索来看，热木星并非宇宙中的奇葩，而是十分普遍的现象。

没有大量小行星撞击

对于这一点大家应该都不会陌生。6500 万年前灭绝恐龙的小行星就是一个活生生的例子。如果一个恒星系中有大量混乱的小行星活动，连大行星护盾也无能为力。也许少数简单的生命形式能够幸存，但是复杂的生命甚至智慧生命肯定是无法幸存的。

大型卫星

相对于地球本身的大小而言，月球是一个大得异乎寻常的卫星。这个大号的卫星在地球生命演化历程中扮演了至关重要的角色。

首先，月球帮助地球形成了稳定的自转轴，进而形成了稳定的季节；其次，月球的帮助地球减缓了自转速度，避免了极端的气候；最后，月球引起的潮汐在生命发展的初期也起到了重要的作用。如果没有月球，地球上应该还是会出现生命，但是要产生复杂的智慧生命难度就要大得多了。

地球得到月球的过程是一个十分偶然的小概率事件。在地球的幼年，太阳系比现在混乱得多，游荡着大量的原始行星。其中一颗与火星大小相仿的行星和地球碰撞，碎片最终形成了月球。在太阳系中，这样的事件只在地球身上发生过一次。

板块运动

板块运动是构造行星表面的关键机制。如果没有或者只有过于微弱的板块运动，陆地会被水循环过程逐渐侵蚀，消失，让地球变成一个水世界。没有了陆地，也就不能生火，不能冶炼金属，甚至连四肢都不会存在，智慧生命也就成了无根之木。

这里我们也可以看到行星上的水量也十分关键。

如果水太多，整个地球表面会完全被海洋覆盖。板块运动也把埋藏在地球深处的金属矿藏带到地表，让人类得以开发利用。回顾人类发展史，我们可以看到利用各种金属，在人类文明的演化过程中起到了何等重大的作用。

大气层

如果行星太小，它的引力不足以保住大气层。即使它在早期产生了某种原始大气，也会很快消散在太空中。失去了大气层的保护，连水也会和行星分道扬镳。相反，如果行星质量太大，它可能会形成过于浓密的大气层，让阳光也无法达到地面，生命也就失去了最重要的能量来源。

行星的磁场也对大气层有保护作用。恒星会向太空中释放大量的带电粒子。这些粒子会带走行星的大气层。如果行星有足够强度的磁场，就能够让这些粒子的运行方向发生偏转，与行星擦肩而过。

以上就是稀有地球假说的简单介绍。它并没有告诉你在银河系或者可观察宇宙中有多少个像地球一样可以孕育生命的行星，这在很大程度上取决于你自己的判断。如果你是一个乐观主义者，你可能会计算出银河系中还能有超过百万的候选者；如果你比较悲观，可能你会发现在整个可观察宇宙中也不会超过 100 个。如果几亿个星系中才会出现一个潜在的生命行星，那么费米悖论也不是那么难于理解了：遥远的星系中可能有别的文明，但是它们太远了，不但没有办法过来，连发送信号也不可能。

大过滤器

大过滤器理论的观点是，即使类似地球的生命星球有很多，它们也只是为生命的出现提供了一些必要的条件。生命是否会真的出现，然后发展出智慧，最终成为星际文明，还需要经历很多被称为大过滤器的关卡。在每一个大过滤器面前，生命都可能失败，就此灭绝或者停滞不前。

一个有效的大过滤器需要满足至少两个条件。

1.生命演化能够通过它的概率极低 。假设你有很多行星出现了生命萌芽，但是在每一个大过滤器面前，都会淘汰掉一大批。最后走到星际文明这一步的行星数量极小，甚至可能是 0。这样，这个理论就能解释为什么我们现在看到一个沉默的宇宙。

2.从通过一个大过滤器到通过下一个大过滤器所需要的时间很长 。两个大过滤器之间的漫长时间意味着生命在进行各种各样的尝试。在投掷了天文数字的骰子以后，终于出现了一个正确的数字。

换句话说，由于宇宙中大沉默的现状，我们可以假定：阻止一个行星上出现星际文明的大过滤器几乎必然存在。而对于人类文明来说，最重要的是知道它在什么地方。我们是不是已经跨过去了，还是它在不远的未来等着我们？

从今天的人类角度来看，地球上出现智慧生命和文明似乎是水到渠成的事，然而，其实这是一种观察者偏见。回顾历史，我们会看到很多很可能是大过滤器的阶梯。

生命的起点是能够自我复制的复杂分子。在地球上，这些分子是 RNA 和 DNA。这些分子是怎样在地球上起源的，还是一个没有答案的问题。实验室的尝试到目前为止只能产生像氨基酸这样的小分子，而无法重现真正的生命创世纪。

目前发现的最早的化石形成于 35 亿年前。在 38 亿年前就没有多少生命的证据了。真正的生命起源可能还要更早。但是无论如何，从地球形成以后，到生命出现，中间有一段至少几亿年的空白时间。这段时间表明，生命的起源需要很多概率非常小的偶然事件。

从 DNA 到单细胞生物是一个飞跃。细胞的出现为后面的许多阶梯奠定了基础。而原核与真核细胞的出现是其中至关重要的两步。原核细胞没有复杂的细胞器，DNA 也没有螺旋化，是一种十分原始的细胞。而真核细胞解决了这些问题，提供了坚实的物质基础帮助生命迎接后面的挑战。从原核细胞到真核细胞的进化花费的时间长达 18 亿年，而且在生物进化史上只发过一次，所以它也应该是一个十分合理的大过滤器。

由于类似的原因，我们还可以在大过滤器的名单中加入有性生殖、复杂的大脑等等。而另外一些生物演化的重要阶梯，比如运动能力、多细胞生物、肢体、视觉、光合作用等等，它们都在不同的阶段独立出现过多次，所以不能算作大过滤器。

由于我们无法逆转时间去观察这些关键性阶段，也缺少宇宙生命的大量样本，所以无法准确的判断它们是不是真正的大过滤器。但是，对于人类来说，意义更为重大的是，是不是还有大过滤器在星际文明的前面等着我们。

几年或者几十年之内，我们就会得知太阳系内，像火星和木卫二这样的地方，是不是还有别的生命存在或者曾经存在过。如果有了肯定的发现，这无疑是探索宇宙和生命的里程碑，但是对人类文明来说却是不折不扣的坏消息。如果火星上存在远古的单细胞生物化石，那么我们就可以认为，生命起源和细胞的出现都不是真正的大过滤器，因为我们的后院里就发生过至少两次。

基于相同的原因，如果在火星上发现类似哺乳动物这样的复杂生物，这就更不妙了。这意味着在它出现以前的所有阶梯都不是真正的大过滤器。而真正的大过滤器，可能就在前方不远处等着我们。由于大过滤器通过的概率很小，人类文明的未来很不乐观。

在人类文明的未来，可能有哪些因素会成为大过滤器呢？也许我们耗尽了地球上的化石燃料，也无法进入 II 型文明，也许人类内部的战争会毁掉我们这个物种，还有致命病毒、陨石撞击、失控的人工智能......

我们可能是第一批智慧生命

虽然宇宙的年龄已经有 140 亿年了，但是生命的历史可能并没有那么长。早期的宇宙中可能并不适合孕育生命。那时候可能恒星活动十分剧烈，太空弥漫着致命的辐射等等。只是在最近的几十亿年内，环境才开始改善，宇宙逐渐变得对生命友好起来。在星系和恒星的身边都出现了宜居带，生命开始在适合的环境下诞生，并且发展到文明阶段。

如果这种解释是正确的，我们很可能是宇宙中的第一批智慧生命。我们无法听到其他星际文明的声音，是因为宇宙中还没有超过我们的文明。

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