费米悖论：外星人在哪里？

汪雨甘捍

艺术家对TRAPPIST-1系统中一颗行星表面的插图，该系统拥有七个大约地球大小的世界。(图片来源:美国宇航局/JPL加州理工学院)

据美国太空网（伊丽莎白·豪厄尔）：费米悖论试图回答外星人在哪里的问题。

鉴于我们的太阳系与宇宙的其他部分相比非常年轻——大约45亿岁，而不是138亿岁——并且如果有足够的时间，星际旅行可能相当容易实现，这个想法是，地球应该已经被外星人访问过了。

这一悖论得名于诺贝尔奖得主、物理学家恩利克·费密，据说他在1950年午餐时间的一次闲聊中提出了上述观点。此后的几十年里，天体生物学家和其他科学家一直为这些暗示而挠头。

“费米意识到，任何拥有适度火箭技术和不谦虚的帝国激励的文明都可以迅速殖民整个银河系，”加利福尼亚州山景城的外星智能搜索(SETI)研究所的代表在费米悖论解释者中写道。“在几千万年内，每一个星系都可能被纳入帝国的羽翼之下。几千万年听起来可能是一个漫长的项目，但事实上，与银河系的年龄相比，这是相当短的，银河系的年龄大约是它的一千倍。”

费米于1954年去世，因此探索和解释这一想法的任务落到了其他人身上，例如迈克尔·哈特，他在1975年的皇家天文学会(RAS)季刊上写了一篇题为“地球上没有外星人的解释”的文章。(有人说这是第一篇探索费米悖论的此类论文，尽管这种说法有点难以证明。)

“我们观察到，现在地球上没有来自外太空的智慧生物，”哈特在论文摘要中写道。“有人提出，这个事实最好用我们银河系没有其他高级文明的假设来解释。”

然而，他指出，需要在生物化学、行星形成和大气方面进行更多的研究，以更好地缩小答案的范围。

哈特认为，聪明的外星人可能已经在地球历史的某个时刻访问过地球，除非他们在不到200万年前开始了他们的旅程。他认为这种拜访的明显缺乏很可能是因为缺乏聪明的外星人。但他也概述了其他四种可能的解释:

外星人从来没有来过这里，因为身体上的困难“使得太空旅行不可行”，这可能与天文学、生物学或工程学有关。
外星人只是选择永远不拜访我们。
地球以外的先进文明出现得太晚，外星人无法到达我们这里。
外星人曾经访问过地球，但是我们没有观察到他们。

杜兰大学物理学教授弗兰克·蒂普勒(Frank Tipler)在1980年继续哈特的论点，发表了一篇题为“外星智慧生物不存在”的论文，也发表在《RAS季刊》上。他论文的大部分内容是关于如何为星际旅行获取资源，他认为这可以通过让某种自我复制的人工智能从一个星系移动到另一个星系，并在移动时复制自己来实现。

由于这种先进机器的证据从未在地球上发现，蒂普勒认为我们可能是那里唯一的智慧生物。他还在1980年的论文中写道，那些相信外星智慧的人与UFO(不明飞行物)爱好者类似，因为两个阵营都相信“我们将被某种奇迹般的星际干预从我们自己手中拯救出来。”

如今，外星智慧是一个热门话题，每年都有来自不同研究小组的多篇论文出现。正在进行的系外行星革命支持了高级文明可能存在于地球之外的观点。

那里有很多潜在的适合居住的地方

宇宙是如此的巨大和古老。各种望远镜收集的数据显示，可观测的宇宙大约有920亿光年宽(并且一直在越来越快地增长)。单独的测量表明它大约有138.2亿岁。

所以外星文明有足够的时间崛起和传播——但他们也可能必须穿越巨大的宇宙鸿沟才能到达我们这里。

当费米发表他那著名的评论时，科学家们所知道的唯一的行星在我们的太阳系里。但是在1992年，天文学家发现了环绕着一个被称为脉冲星的超密度恒星尸体的世界。几年后，第一颗围绕类太阳恒星的系外行星被证实。

现在已经有超过5000颗被确认的系外行星，而且每年都在增加。外星世界的数量表明宇宙中可能有大量的生命。

随着时间的推移，借助更先进的望远镜，科学家们将能够探测一些附近系外行星大气的化学成分。然而，“附近”是一个相对的术语；已知最近的系外行星比邻星b距离我们大约4.2光年，大约25万亿英里(40万亿公里)。

最终目标是了解岩石行星在其母恒星的“可居住区”形成的频率，可居住区传统上被定义为地球表面可以存在水的轨道距离范围。然而，可居住性不仅仅与水有关。其他因素也必须考虑，如宿主恒星的活动和行星的大气成分。(传统定义的可居住区越来越被认为过于简单，还有其他原因。例如，我们太阳系中的冰卫星，如木星的欧罗巴和土星的土卫二，位于可居住区之外，可能仍然在它们的地下海洋中孕育着生命。)

尽管有这样的警告，但似乎确实有大量适合居住的房地产。例如，2013年11月，一项使用美国宇航局开普勒太空望远镜数据的研究表明，五分之一的类太阳恒星有一颗大约地球大小的行星在可居住区运行。几个月后，开普勒科学家发布了一份包含715个新发现的行星的“富矿”。这些行星中有许多是用一种叫做“多重验证”的新技术确认的，这种技术在一定程度上基于概率逻辑。(人们看到的横过恒星表面或受引力牵引的物体更有可能是行星，而不是伴星，因为随着时间的推移，距离较近的伴星可能会破坏整个系统的稳定。)



美国宇航局开普勒太空望远镜搜寻系外行星的艺术家插图。(图片来源:NASA)

然而，类太阳恒星在我们的星系中只占少数；大约四分之三的银河系恒星是被称为红矮星的小而暗的燃烧体。天文学家已经在红矮星的可居住区发现了多个岩石世界——例如比邻星b，以及TRAPPIST-1系统中的三颗行星，Trapp ist-1系统距离地球约39光年，共有七个岩石世界。但是还不清楚这样的行星到底有多适合居住，因为红矮星非常不稳定，尤其是在它们年轻的时候。因此，恒星爆发可能会迅速吹走年轻的“可居住区”红矮行星的新生大气，使生命极难在那里立足。科学家说，需要更多的研究来更好地了解这些恒星以及生命在它们周围持续存在的能力。

研究人员正在获得更多的工具来做这样的工作。例如，美国宇航局的凌日系外行星调查卫星(TESS)于2018年4月成功发射，并很快从开普勒手中接过接力棒，开普勒于同年晚些时候退役。该机构备受期待的耗资100亿美元的詹姆斯·韦伯太空望远镜计划于2021年12月发射，除了其他许多任务外，它将在附近的系外行星空气中寻找潜在的生物信号气体。欧洲航天局的柏拉图(行星凌日和恒星振荡)任务预计将于2026年发射。三个强大到足以嗅探系外行星空气的大型地面观测站——超大型望远镜、巨型麦哲伦望远镜和30米望远镜——也计划在本十年晚些时候上线。还有一个雄心勃勃的项目，被称为“突破星照”，旨在用大量微小的激光导航纳米探测器近距离研究比邻星b和其他附近的世界。如果技术发展顺利，第一艘这样的星际机器人飞船可能在2050年左右发射。

这种任务和仪器将帮助科学家充实他们对天体生物学的理解，这种理解仍然相对原始。例如，我们甚至不知道在我们自己的后院是否有生命存在。地球上的研究表明，微生物可以在极端环境中生存，这表明微生物可能存在于火星、木卫二、土卫二和/或巨大的土星卫星泰坦上。但是我们还没有探索这些世界中的任何一个，以至于不能确定。

然而，费米悖论所思考的远不止微生物。为了解决这个问题，我们不仅需要知道生命在外星球上进化的普遍程度，还需要知道它获得与其他智慧生命形式交流或在星球间航行的能力和愿望的频率。

智慧的、可探测的外星文明的数量是由德雷克方程估算的。用SETI研究所的话说，这个等式——写成“N = R * FP ne fl fi fc L”有以下变量:

“N:银河系中电磁辐射可探测到的文明的数量。
R*:适合智慧生命发展的恒星形成速率(每年数)。
fp:那些有行星系统的恒星的比例。
ne:每个太阳系中，有适合生命生存的环境的行星数量。
适合生命实际出现的行星的比例。
fi:有智慧生命出现的行星的一部分。
舰队指挥官:开发出一种技术，可以检测出他们存在的迹象的那部分文明。
l:这种文明产生这种标志的平均时间长度(年)。"

这些数值现在都不确定，这使得预测变得困难。所以费米悖论是猜测的沃土，多年来，科学家和外行人提出了数百种可能的解释。

答案会是什么呢？

这些想法范围很广。

例如，2015年，科学家分析了哈勃太空望远镜和开普勒太空望远镜的数据，得出结论说，相对而言，地球可能是一个早熟的物种。研究人员确定，大约45亿年前地球形成时，宇宙中可能存在的所有可居住世界中只有8%存在。所以这是对悖论的一种可能的解释:外星人会来，但不是一时半会儿。

或者也许生命太脆弱，无法长久存活。2016年的一项研究表明，岩石行星历史的早期可能非常有利于生命，这通常可能在行星冷却下来并有液态水存在后的5亿年左右开始出现。我们地球的历史似乎支持这个结论；有(有争议的)证据表明，大约41亿年前这里就出现了生命，38亿年前它就已经确定存在了。但由于失控的温室效应(就像很久以前金星上发生的那样)或其他气候变化，这些美好时光可能不会持续太久。

“在早期的热脉冲、冻结、挥发性成分变化和失控的正反馈之间，在可居住区的最初潮湿的岩石星球上维持生命可能就像试图骑一只野牛。研究人员阿迪提亚·乔普拉和查利·莱恩维尤在发表于《天体生物学》杂志的研究中写道:“大多数生命都会脱落。“生命在宇宙中可能很罕见，不是因为它很难开始，而是因为在最初的十亿年里，可居住的环境很难维持。”

也可能瓶颈来得更晚。许多思想家认为，文明可能会在变得有技术能力后很快自我毁灭。地球再次为这一假设提供了一些支持:在1962年古巴导弹危机期间，人类惊人地接近核战争，我们可能正在毁灭我们自己，以及地球上的许多其他生命，现在通过人为的气候变化。

还有许多其他因素需要考虑。例如，行星科学家艾伦·斯特恩，美国宇航局新地平线冥王星任务的领导者，最近提出，银河系中最常见的生命居住环境可能是埋藏的海洋，如土卫二和欧罗巴的海洋。在这种环境中进化的生物似乎不太可能发展出航天器；事实上，他们中的许多人可能甚至不知道还有其他的世界可以探索。

外星人心理学也可能在其中发挥了作用。举例来说，也许有许多先进的外星文明，但是他们中的大多数都不想和我们交流或者拜访地球。也许地球和它的居民对他们来说还不够有趣，不能儿戏——除非人类表现出足够的智慧和价值，被欢迎加入“银河俱乐部”

或者，也许大多数聪明的外星人倾向于保持沉默，因为他们担心与他们的宇宙邻居接触会导致他们自己被奴役或毁灭。包括已故的斯蒂芬·霍金在内的许多研究人员都援引了这种可能性，认为人类不应该主动宣传自己的存在。

然后还有寻找智能外星人的后勤困难。宇宙是巨大的，难以置信的古老。人类仅仅存在了20万年，我们从1960年就开始监听外星人可能的无线电信号。因此，我们与可探测的外星文明在时间和空间上重叠的几率似乎并不大。

大多数研究人员说，费米悖论可能没有单一的解决方案。一系列因素——也许包括上面讨论的一些因素——可能是我们目前面临的“巨大沉默”的原因。这些因素的本质可能很快就会变得更加清晰。

例如，科学家在火星、欧罗巴或我们太阳系的另一个天体上发现了过去或现在微生物生命的证据，这些生物代表了“第二次起源”——与地球上的生命完全不同。这样的发现将强烈表明，生命在宇宙中运行并不难，这使得研究人员可以从冗长的清单中划掉一个可能的费米悖论解释。

专家的费米悖论

我们就费米悖论向伦斯勒理工学院的海蒂·乔·纽伯格教授提出了几个问题。

海蒂·乔·纽伯格
伦斯勒理工学院物理学、应用物理学和天文学教授

海蒂·乔·纽伯格是一名天体物理学家，目前正在研究我们银河系的结构。她在天体物理学方面进行了多种多样的研究，包括恒星、超新星以及我们的星系和其他星系。她最近获得了美国国家航空航天局的资助，致力于传统望远镜的替代品，以探测可能支持生命的系外行星。

现代研究人员是否倾向于接受费米悖论的前提——即如果我们星球以外的智慧生命存在，那么他们现在很可能已经联系或到达地球了？

我不能代表所有人，但我不相信这个前提。因为地球是我们唯一知道有生命存在的星球，所以我们只能根据这里的生命是如何进化的来进行猜测。

地球形成于大约46亿年前。地球上的生命至少开始于35亿年前，因为这个时代的化石已经被发现，但更简单的细胞预计在那之前就已经形成了。很可能，在液态水普遍存在的条件下，地球上的生命很快就开始了。另一方面，拥有一个以上细胞的生命直到大约10亿年前才出现，而人类在2亿年前没有进化。据我们所知，人类是地球上唯一思考宇宙中正在发生的事情的生命形式，并且有可能与其他生命交流。第一台望远镜大约在400年前发明，第一个太空探测器在不到100年前发射。

我从中得到的是，简单的生命(像单细胞生物)可能很容易创造，但复杂的生命更难，试图与宇宙中其他地方的生命交流的生命可能极其罕见。虽然寻找外星生命并与之交流的技术一旦开始，似乎会在宇宙的时间轴上发展得非常快，但我们不知道现代人类作为一个物种还能生存多久。

有没有一个普遍接受的方法来解决费米悖论？

我怀疑有一个普遍接受的方法来解决费米悖论，除了指出一个事实，即我们对高度进化的智慧生命的信息非常少。我们不知道它有多罕见，一个文明持续了多长时间，它有多大可能会或不愿意与我们交流，它有多大可能会在银河系中传播，或者我们如何认识和理解彼此。在没有任何真实信息来解决这个问题的情况下，似乎有很多可能性可以解决这个问题。

在评估费米悖论时，考虑银河系中空间的巨大距离是很重要的。光旅行到最近的恒星的时间超过四年。如果一艘火箭飞船以每小时20，000英里的速度飞行，那么它将需要超过33，000年才能到达那里。从太阳到银河系中心的光旅行时间是30，000年。火箭旅行的时间是1.7亿年。目前还完全不清楚生命是否愿意或者能够穿越这样的距离来居住在银河系中。如果尝试的话，不清楚是否有合适的地方让它落地并茁壮成长。在银河系中传播生命可能比费米想象的要困难得多。

研究系外行星，尤其是潜在宜居行星的研究人员通常会考虑费米悖论吗？

寻找潜在宜居行星的现代研究人员在考虑找到生命的可能性时，通常会使用西格方程。这是德雷克方程的更新，它总结了人们在1961年寻找的东西。请注意，一个关键的区别是，西格方程询问我们可以找到多少个具有改变大气的生命的行星(例如通过光合作用)，而德雷克方程计算的是发出可检测无线电波的文明的数量。20世纪，SETI计划寻找这些文明，没有发现这种文明的信号。

所以你可以看到对话已经变成了寻找不一定有智慧的生命——一些地球历史告诉我们更有可能找到的东西。我偶尔教一堂系外行星和生命课，我用的教材没有讲费米悖论。我的期望是，大多数研究人员目前没有考虑这个问题。目前的搜索是寻找系外行星，有液态水的可居住的系外行星，以及不一定是智慧生命的迹象。

目前的研究有哪些方法可以最终解决费米悖论？

随着我们对系外行星了解的越来越多，对生命存在的可能性以及生命扩散的可能性做出统计陈述变得越来越有可能。这一悖论的基础在于这样一种观点，即银河系中有数千亿颗恒星，有这么多恒星，其中一颗上一定有其他智慧生命。但是我们真的没有办法评估这是不是真的。

在六吨沙子中，有数千亿粒沙子。因此，有理由认为其中至少有一个是由铀制成的。但我们不会在海滩上寻找铀，因为如果它在那里，它会溶解在水中并被冲走。仅仅拥有大量的对象并不意味着这些对象的每一种可能性都必然存在。

目前的实验正在告诉我们有多少颗系外行星，这些行星上的条件是什么，系外行星表面温度允许液态水存在的情况有多普遍，以及可能有多少系外行星表现出有利于生命存在的大气丰度。我们正在努力寻找其他星球上的任何种类的生命。这些信息将为我们推断科技文明在其他地方形成的可能性提供一些依据，并将告诉我们他们可能要走多远才能找到最近的可居住星球，在那里他们可以建立殖民地。