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严肃科普：外星人真的存在吗，为什么我们还没有发现它们？
作者：赵斐
6月16日美国前总统克林顿在一档访谈节目中谈到，他在任期间曾派时任美国国家安全顾问Sandy Berger去51区调查外星人的真相，顿时引起了全世界的广泛关注。51区是内华达州南部的一个空军基地，是美军秘密研发和测试隐形侦察机和飞行器的地方。由于它过于神秘，因此一直以来总是和不明飞行物（UFO）扯上关系。
无独有偶，在上个月的5月17日，美国国会众议院情报委员会举行了50年以来的首次UFO主题听证会。这波疯狂的外星人大有再次霸屏的节奏。
今天，我们将从严谨的科学视角，来一起探讨外星人和地外文明的话题，这要从费米悖论和德雷克方程说起。
1. 费米悖论
费米悖论是指地外文明数量的过高估计与缺少现实科学证据之间的矛盾。
首先地外文明的数量为什么会在科学上被过高的估计呢？这是根据我们已知的可观测宇宙的直径达到约930亿光年，恒星的总数的样本十分巨大，约有1022到1024颗，其中我们银河系内有约2500亿颗恒星。通过对银河系内恒星光谱的巡天观测，我们知道构成生命的元素普遍存在于宇宙的各个角落，只要给他们足够的时间演化，宇宙中的生命应该无处不在，高等文明的数量按比例应该也是不在少数。但现实却比较骨感，人类至今没有获得任何地外文明存在的确切证据。
产生这个悖论的原因，目前还没有明确的答案，但天文学家提出了几种假说来试图解释费米悖论：
1) 稀有地球假说 （Rare Earth Hypothesis）
适合生命生存的行星远比想象的稀有。产生我们人类文明的很多条件其实非常苛刻，只要在无数个机缘巧合、恰到好处的条件同时满足的时候，才产生类似地球上的生命和文明。例如恒星的质量与温度要不大不小不高不低；行星轨道不远不近要恰好处于宜居带中，要有液态水；行星内部要有流体的内核和较差自转，从而产生磁场来抵御太阳风对大气的破坏等等。
另外，就算地球生命历经千辛万苦已经形成，外星人如果想探测到地球也同样困难重重。首先因为太阳较暗，绝对星等4.83等。从光谱上来说，地球对太阳的视向速度扰动只有9cm/s，基本淹没在噪声中。从测光或成像上来说，例如旅行者1号，距离地球60亿公里拍摄的暗淡蓝点（Pale Blue Dot），地球看上去就像一粒尘埃，75亿人口都挤在这粒“尘埃”上。在遥远的外星世界，地球可能仅是隐藏在外星人手里的测光图像里的一个无法识别的噪点。
2) 大过滤器假说。（Great Filter，牛津大学，罗宾·汉森）
这个假说首先承认了地外文明的存在，并且不同的文明处于不同的演化阶段。文明的演化要经历至少9个苛刻的物理条件的过滤。比如从无机物演化到有机物、从原核生物到真核生物，从单细胞到多细胞生物等，每一个演化门槛都相当于过滤器，无法通过这些考验的文明进程就被毁灭或淘汰掉了。地球文明已经通过了前8次严酷的筛选过滤，人类至今还没有发现外星文明是因为大多数其他文明可能并没有挺过层层的“过滤器”的筛选，在演化到高级文明前就被淘汰了，所以无法观测到。
3) 差异假说
简单的说就是文明之间的差异过大，导致无法探测，例如通讯的时间不重合，通讯方式有差距，或者信息无法理解。
人类用望远镜探索宇宙大约有400年，发射哈勃这样的空间望远镜观测宇宙只有30年，这个时间放在在宇宙的尺度下，只是短短的一瞬间。在这个短暂的时间范围内不足以找到外星文明的灯塔信号。
另外是通信方式不一样，或携带信息的方式不同，互相对不上眼。人类默认是通过电磁波进行调制之后来携带变化的信号用以传递信息，但外星文明可能并不是用某些特定波段的电磁波来传递信息，而是其他超出想象的方式。例如：我们在前线发现敌人，用无线电发射器发送了“有敌人”三个字到总部，但总部可能只能分辨前线是否点起了狼烟，对已经传达过来的无线电波视而不见。这样互相之间虽然都在试图去交流，但方式对不上。
2022年4月发表在《天体物理学杂志》上的一项最新研究，通过蒙特卡罗数值模拟的计算表明，人类文明至少需要存在40万年才能接收到银河系内其他智慧文明的交流信息。
4) 黑暗森林假说
主要包括了两条公理：一是生存是文明发展的第一要务。二、文明不断扩张，但宇宙中总物质总量保持不变。不过，其实在动态宇宙中，宇宙的视界随时间扩大或变化，可观测宇宙内的物质总量会产生变化。只有将宇宙看作静态的，上述结论才成立。
另一个个重要概念是猜疑链，即两种文明双方都知道对方的存在，但无法获得对方的信息，需要互相猜测对方可能的动机，猜测是敌是友，从而陷入无止境的猜疑循环。根据两条公理，总物质资源有限，所以总有一天双方会陷入对有限资源的争夺，必须先下手为强，在对方技术爆炸之前提前消灭对方。
所以每个文明为了保证自己文明的传承，必须小心翼翼的隐藏自己，猥琐发育。谁沉不住气、谁先暴露，谁就会被更高级的文明先毁灭，所以大家都选择都不主动暴露自己。因此，目前没有发现地外文明是因为他们隐藏了自己，这就是黑暗森林法则的逻辑。当然，黑暗森林法则也存在着一定的局限性：这两条公理和猜疑链完全是按照人类的思想来架构宇宙；，也许外星文明超出了我们的思想规范的框架。
对于不同文明的研究，前苏联天文学家卡尔达肖夫按照文明能够利用能源的量级，来衡量某颗星球文明的先进程度，利用卡尔达肖夫指数（K）可以把文明的发展划分为三个等级：
I型文明：文明可以驾驭行星的全部能源：1016W，K=1
II型文明：可以掌控所属恒星的全部能量，例如通过建造戴森球：1026W， K=2
III型文明：可以控制所在星系的全部能量：1036W， K=3
目前人类还未达到I型文明，卡尔达肖夫指数约为K~0.73，大约在100至200年左右才能达到I型文明。
2. 德雷克方程
1961年，美国天文学家德里克提出了著名的德雷克方程，来估算银河系内具有星际通讯能力的高级智慧文明的数量：
R* ：恒星形成的速率，数值约为1.5~3，（2010）
fp ：恒星周围具有行星的比率：至少有一颗的比率：接近1 （2012，Kepler，Micrlensing）
Ne：行星位于宜居带，具备生命产生的条件：0.4（2013，Kepler）
fl：演化出生命的比率： 10-4 （2000，稀有地球假说）
fi：生命进化到高等智慧生物的比率： 10-9 （2010）
fc：文明发展出通讯能力的比率：0.2 （Drake）
L：文明能够持续的时间：304 （2002）
根据稀有地球假说的初始参考值，得到的保守估计值为9x10-13，这意味这在这种假说下，我们在宇宙中是孤独的。
近几年的研究中，天文学家通过蒙特卡罗数值模拟，根据最新的恒星和行星演化模型，得出德雷克方程N值的误差范围在均值可以限制在10的2次方的范围内。例如2020年Tom Westby等人发表在《天体物理学杂志》的一篇论文中使用了最新的天体元素丰度分布的数据，获得了最新的估算结果约为N~36个。
德雷克公式虽然类似于一个思想实验，虽然并不能直接解决费米悖论，但它的核心价值却提供了一种硬核的逻辑结构，把一个原本无从下手的问题，分解为一环扣一环的、可以定量研究的变量。德雷克方程的主要意义在于，由于宇宙中至少有一个已知的数据点，就是我们自己即地球文明的存在，这就证明宇宙中出现智慧文明的概率大于零。因此只要样本数量足够大（例如现在已证认的5000多颗系外行星，数量还在继续增加中），可探测到的智慧文明的数量会随着样本的增大而增大。
3. 总结
从科幻到科学，从电影到现实，外星人和外星文明永远是一个实力IP和流量担当；地外文明的探索将会长期是一个开放性的问题，每个人都可以给出自己的答案，在没有真正的外星文明的数据之前，没有人知道它的确切答案。如果放飞想象，让脑洞开的大一些，也许外星生物是硅基生命体，或者是非细胞结构的生物，甚至高维生物，没有形状和大小。
科学始终都是被观测、实验和数据所引导的, 我们需要主动寻求答案，就像哥伦布出海去探索新世界一样，答案存在于星辰大海。
参考文献
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[2] J. F. Kasting, “Peter Ward and Donald Brownlee’s ‘Rare Earth,’” Perspectives in Biology and Medicine, vol. 44, no. 1, pp. 117–131, 2001, doi: 10.1353/PBM.2001.0008.
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[8] T. Westby and C. J. Conselice, “The Astrobiological Copernican Weak and Strong Limits for Intelligent Life,” The Astrophysical Journal, vol. 896, no. 1, p. 58, 2020, doi: 10.3847/1538-4357/ab8225.
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1.阿波罗17号宇航员在月球上的自拍，背景是我们的地球。



2.世界上最大的盐沼：玻利维亚乌尤尼盐沼，有着“天空之境”的美称。


3.准备换牙的小孩，这牙齿太搞笑了。


4.1920年代，早期的米其林轮胎人，看着有点瘆人。


5.这就是黄貂鱼鱼蛋的样子。


6.会发光的蓝环章鱼，这艳丽的蓝色看着就觉得可怕。


7.法国摔跤手莫里斯·提列特，他是《怪物史莱克》主角的原型，是不是十分相似？他的样子之所以变成这样，是因为患了肢端肥大症，导致他的手脚以及脸部变得异常肥大。


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10.在巴西发现的一个巨型蚁巢，宛如一座巨大的城堡。


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12.来自印度的一个侏儒家族，11个家族成员中有9人患有侏儒症，如果算上老一辈人，21个人中有18个是侏儒。这种现象是一种遗传病软骨发育不全症引起的。


13.韦伯望远镜拍摄的“韦伯第一深场”，向我们展示了一个距离46亿光年、名为SMACS 0723的星系团。照片中的每一个亮点，都是一个星系，而这也只是宇宙中极微小的一部分而已。


14.一种奇特的四不像生物：墨西哥鼹鼠蜥蜴，既像蚯蚓又像蛇，靠近头部还有一对小脚，身体粉红，看起来十分萌萌哒。


15.美国前总统林肯被暗杀当晚坐的椅子，上面还有当时的血迹。


16.宇航服的内部构造。


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18.当所有的红细胞都被去除后，这就是血液的模样。


19.天然黄铁矿立方体，看起来就像是人为切割的一样，但这确实是自然形成的，这是因为黄铁矿的晶体结构是等轴晶系，除了立方体，它还会长成八面体、五角十二面体等。


20.他叫安东尼·洛夫雷多，来自法国，为了把自己变成“外星人”，他切掉了自己2根手指，切掉了耳朵和嘴唇，在头上植入各种植入物，全身上下都是纹身…


21.这就是分布在人体头部上的血管。


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23.鳄鱼是如何跳出水面的。


24.一个有趣的实验，水的表面张力把线拉成了一个完美的原型。


25.自然界中拥有拟态能力的昆虫，它们长得和树枝、树叶几乎一模一样。