费米悖论:大家都在哪儿?

1950年,恩里科·费米在洛斯阿拉莫斯的一次午餐上提出了一个至今无人能答的问题:大家都在哪儿?算术似乎要求给出一个答案。银河系已经足够古老、足够庞大,播撒了足够多可能宜居的世界,以至于如果技术文明哪怕只是偶尔出现,如今也应该早已明显、大量地存在。但它没有。那份寂静就是这个悖论。

它通常被称为费米悖论,但严格的表述其实属于Michael Hart,他在1975年发表于《英国皇家天文学会季刊》的论文中提出了这个说法。他所谓的"事实A"很简单:外星人不在这里,从来没有在这里过。放在银河系的年龄和规模这个背景下,这个事实需要一个解释。

数字让这份寂静显得格外奇怪。银河系拥有1000亿到2000亿颗恒星。据NASA开普勒任务的数据,由Bryson等人于2020年发表的估算,其中至少有3亿颗恒星在其宜居带内拥有岩质、可能宜居的行星。这些恒星中许多比太阳老20到30亿年。以光速的百分之一——一个现实中可自我复制的探测器完全能达到的速度——一个文明大约一千万年就能横穿银河系的整个宽度。一千万年只占银河系年龄的0.07%。任何哪怕在一亿年前就开始扩张的文明,如今都应该无处不在。

但它没有。

那个反常的倒转

费米悖论有一点,让它区别于科学中的任何其他问题。在其他所有领域,发现某样东西都是好消息。而在这里,恰恰相反。

Robin Hanson在1998年的一篇文章中将其形式化为"大过滤器"（Great Filter）。论点是:从无生命的化学到跨越银河系的文明,这条路上有许多步骤,其中至少有一步必须是近乎不可能的,否则银河系早该显而易见地布满了文明。这个瓶颈——过滤器——要么已经发生在我们的过去,要么还在我们前方。

如果过滤器在我们身后,那我们就是罕见的例外。那个不太可能发生的步骤是我们历史中的某件事:生命从化学中起源、原核生物跃迁为真核生物（这可能只发生过一次,通过一次内共生事件）、多细胞化、有性繁殖、寒武纪大爆发。任何一步都可能极其罕见。我们赢了一场几乎没有星球能赢的彩票。银河系寂静无声,是因为它大体上是空的。

如果过滤器在我们前方,那我们就身处深切的危险之中。技术文明总是在我们现在所处的位置和跨越银河系所需到达的位置之间的某个环节上失败:核毁灭、人造病原体、生态崩溃、一个把人类优化出局的AI系统。银河系寂静无声,是因为它是一座坟场。

Hanson最令人不安的洞见,是那个颠覆一切正常科学直觉的洞见:每一次发现地外生命,都会把大过滤器往我们这边推移。如果在火星上发现微生物化石,那将是灾难性的消息。这意味着生命的起源很普遍,过滤器不在我们遥远的过去。我们在别处独立发现的每一级进化阶梯,都不可能是过滤器所在。过滤器必须位于我们已确认的最高一级之上。如果在别处发现复杂的多细胞生命,那过滤器就位于智能这一级或更高。如果发现技术文明,那过滤器就位于此处与群星之间。

一个荒芜的宇宙,是最令人欣慰的宇宙。那位把整个职业生涯都投入在天空中寻找信号的天文学家——卡尔·萨根——一定会觉得这个结论令人费解。但这个逻辑无法回避。

几种主要的解答假说

"稀有地球"假说（Ward和Brownlee,2000年）认为,微生物生命也许普遍存在,但复杂的智能生命极其罕见。造就我们的条件需要一套极不可能精确叠加的堆栈:在银河系宜居带的位置、一颗温度适中、寿命长的稳定G型恒星、一颗把彗星从内太阳系偏转出去的木星级行星、一颗稳定我们地轴倾角的大卫星、循环碳并调节长期温度的板块构造、强大的磁层,以及随后一系列偶然的进化事件——大氧化事件、真核生物的出现、寒武纪大爆发,没有一件是必然发生的。这个假说把瓶颈定位在物理前提条件的不太可能的累积上,而不是任何未来的文明性失败。细菌也许无处不在,我们却不是。

"黑暗森林"假说源自刘慈欣2008年的小说,作为一种严肃的博弈论论证,值得认真对待。两条公理:生存是任何文明的首要需求;文明会扩张进入有限的资源。在星际距离上,没有任何文明能核实另一个文明的意图,而技术曲线可能在几十年内翻转相对实力。理性策略最终收敛于沉默,以及对任何被探测到的文明进行先发制人的摧毁。宇宙是一座黑暗森林:每个猎人都藏起来,每一个动作都危险。

这个假说有一个结构性问题:它要求普遍的背叛发生在所有时代的所有文明中。哪怕只有一个愿意合作的文明,就会打破这个均衡。而地球已经播发无线电信号一百年,却从未遭到打击。作为一种可能的博弈论均衡的描述——一种沟通本身就带有不对称危险的均衡——它值得被留着。但作为"解答",它没有通过协调检验。

悖论的统计消解由Sandberg、Drexler和Ord于2018年发表,是近年来最重要、却在大众科普中最少被提及的贡献。悖论通常被这样呈现:根据德雷克方程的输入,文明应本普遍存在,因此这份寂静显得反常。但德雷克方程通常是用每个不确定参数的点估计来计算的,而这些点估计掩盖了跨越多个数量级的不确定性。当Sandberg等人在每个因子上传播真实的不确定性分布后,他们发现人类在可观测宇宙中完全孤独的概率大约在30%到40%之间,且不需要任何奇异的过滤器。经过恰当计算,这份寂静其实是现实先验下较为可能的结果之一。这个悖论也许在一定程度上只是过度自信的算术产物。

自我毁灭作为过滤器是最令人不安的候选答案,因为它不需要对外星生物学做任何猜测。一个技术物种可能遭遇的每一种文明性失败模式,我们已经都能看见:自1945年以来就存在的核武器、人造病原体、失控的生态变化、追求与人类生存不兼容目标的AI系统。这些不是假设。它们是我们此刻正在同时应对的、悬而未决的工程问题。如果过滤器就是自我毁灭——如果文明总是在这个阶段持续失败——那我们观察到的就不是一个未知数。我们是站在它的内部。

我们也许来得早

还有一个值得留意的框架。Hanson、Martin、McCarter和Paulson在2021年发表了一个关于"张扬型"（grabby）文明的模型:这类文明以大约光速一半的速度可见地扩张,点亮一个不断扩大的空间球体。如果这样的文明曾以任何规律性出现在我们的银河系中,我们的天空早就该被划分成它们发光的领地了。但事实并非如此。最能拟合这份观测到的寂静的模型意味着,人类出现的时间点,大致落在像我们这样的观察者能够出现的宇宙时间中最早的百分之几之内。

宇宙还有大约1000亿年的恒星形成期在前方。如果生命并非极度罕见,我们也许是祖先,而非后代。银河系的文明史——如果它有的话——也许才刚刚开始。

这要么令人振奋,要么令人不安,取决于你把过滤器放在哪里。如果那些艰难的步骤大多在我们身后,我们也许是银河系中最早的一批,是终将填满可观测宇宙的某种浪潮的最前沿。如果那些艰难的步骤在我们前方,我们也许是排在毁灭队伍最前面的一批,那份毁灭终将波及此后所有的文明。

SETI计划自1960年运行至今。据Wright、Kanodia和Lubar在2018年的估算,其历年来跨所有频率的全部搜索,相对于所有可能信号的搜索空间,大致相当于地球所有海洋里的一个浴缸的量。这份寂静是真实的,但它是一个小样本的寂静。我们只以很少的方式,检查了天空中很小的一部分,而且时间很短。

这个悖论没有解开。六十五年认真的搜索都没有产生一个信号,而现存最有力的解答——我们也许真的孤独,或者近乎孤独——也是在哲学上最难以承受的一个。它要求我们同时持有两件事:数学上近乎确定的、生命理应存在于别处的判断,以及我们没有看到任何生命迹象的观测事实。这两个输入之中必有一个是错的。我们还不知道是哪一个。

但在梳理完所有提出的解答之后,最诚实的立场是:一个荒芜的宇宙,是最令人欣慰的宇宙。而"是什么在文明抵达群星之前摧毁了它们"这个问题,问的从来不是外星人,它问的是我们自己。

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参考文献

• Hart, M. H. (1975). An Explanation for the Absence of Extraterrestrials on Earth. Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society, 16, 128–135.
• Hanson, R. (1998). The Great Filter — Are We Almost Past It? George Mason University essay. mason.gmu.edu.
• Ward, P. D. & Brownlee, D. (2000). Rare Earth: Why Complex Life Is Uncommon in the Universe. Copernicus / Springer-Verlag.
• Liu, Cixin (2015). The Dark Forest. Tor Books. (Trans. Joel Martinsen.)
• Sandberg, A., Drexler, E. & Ord, T. (2018). Dissolving the Fermi Paradox. Future of Humanity Institute. arXiv:1806.02404.
• Bryson, S. et al. (2020). The Occurrence of Rocky Habitable Zone Planets Around Solar-Like Stars from Kepler Data. Astronomical Journal, 161, 36.
• Wright, J. T., Kanodia, S. & Lubar, E. (2018). How Much SETI Has Been Done? Astronomical Journal, 156, 260.
• Hanson, R., Martin, D., McCarter, C. & Paulson, J. (2021). If Loud Aliens Explain Human Earliness, Quiet Aliens Are Also Rare. Astrophysical Journal, 922, 182.