研究人员声称，文明可能正在宇宙中快速传播

December2017

通向哈勃常数的阶梯。鸣谢:美国航天局、欧空局和a .菲尔德(STScI)

（）据《今日宇宙》（马特·威廉姆斯）：搜寻地外智慧生物(SETI)一直受到不确定性的困扰。只有一个可居住的星球(地球)和一个技术先进的文明(人类)作为例子，科学家们仍然局限于理论化其他智慧生命形式可能在哪里(以及他们可能在做什么)。

六十年后，费米著名问题的答案(“人都去哪了？”)仍未得到答复。从积极的一面来看，这为我们提供了许多机会来假设可能的地点、活动和技术特征，以供未来的观测验证。

一种可能性是，文明的发展受到物理定律和行星环境承载能力的限制——也就是渗滤理论假说。在最近的一项研究中，菲律宾大学洛斯巴诺斯分校的一个团队超越了传统的逾渗理论，考虑了文明如何在三种不同类型的宇宙中发展(静态、暗能量主导和物质主导)。他们的结果表明，取决于框架，智能生命有有限的时间来填充宇宙，并有可能以指数形式这样做。

这项研究是由Allan L. Alinea和Cedrix Jake C. Jadrin进行的，他们是菲律宾洛斯巴诺斯大学数学科学和物理研究所的物理学助理教授和助教。他们论文的预印本“在均匀各向同性宇宙中‘文明’的渗透”最近被张贴到arXiv预印本服务器上。

在他们的研究中，研究小组考虑了如何根据逻辑增长函数(LGF)来解释传统的逾渗理论，其中随着人口规模接近当地资源限制(又名承载力)所施加的最大值，人口的人均增长率变小。

逾渗理论

简而言之，逾渗理论描述了当节点或链接被移除时，网络如何表现，其中它们将分解为更小的连接集群。这一理论应用于费米悖论的第一个已知实例可能是卡尔·萨根和威廉·纽曼在1981年提出的。在一篇题为“银河文明:人口动力学和星际扩散”的论文中，他们认为人类没有遇到地外文明(ETCs)的原因是因为星际探索和定居不是线性现象。

哈特-蒂普勒猜想认为，先进的etc很久以前就已经殖民了我们的星系(因此，它们并不存在)，与此相反，萨根和纽曼假定星际探索是一个扩散的问题。杰弗里·a·兰迪斯在他1993年的论文《费米悖论:基于逾渗理论的方法》中阐述了同样的观点，他认为物理定律对星际增长施加了限制。根据兰迪斯的说法，并不存在期待地外文明的“一致动机”:

“既然有可能，考虑到足够多的地外文明，一个或多个肯定会着手这样做，可能出于我们不知道的动机。殖民化将需要非常长的时间，而且非常昂贵。假设不是所有的文明都有兴趣为远在未来的回报付出如此巨大的代价是很合理的。人类社会由探索和殖民的文化和无意这样做的文化混合而成，有时跨越极远的距离。”

同样，美国宇航局系外行星系统科学中心(NExSS)的亚当·弗兰克教授和同事在2019年写了一篇题为“费米悖论和极光效应:系外文明定居，扩张和稳态”的论文。受金·斯坦利·罗宾逊2015年的小说《极光》的启发，他们认为星际定居将发生在集群中，因为并非所有潜在的宜居行星都适合外星物种。简而言之，物理、生物和进化的法则限制了一个物种在银河系定居的距离和速度。

为了限制这些限制，研究小组考虑了宇宙的三种主要宇宙学模型，包括静态、物质主导和暗能量主导。正如爱因斯坦和他的宇宙常数最初描述的那样，静态宇宙在空间和时间上是无限的，既不膨胀也不收缩。物质主导的宇宙描述了大爆炸后98亿年前的宇宙状态，当时物质的能量密度超过了辐射的能量密度和真空的能量密度。

暗能量主导的宇宙描述了宇宙演化的最新阶段，大约始于98亿年前，以加速膨胀为特征。该小组还根据逻辑增长函数考虑了所有三种情况，以确定行星数量随时间的变化。由此，该团队获得了他们研究的两个参数:T，解决均匀和各向同性的理想宇宙的球形部分所需的时间，以及H，描述宇宙膨胀速率的哈勃参数——也被称为哈勃定律或哈勃-勒迈特定律。

对于一个静态的宇宙，他们发现定居遵循LGF，类似于人口增长、传染病传播和化学反应的方式。正如他们在研究中指出的那样，这些动力系统遵循一种一般模式，由于有限的来源(在这种情况下，可居住的行星)而从相对缓慢的开始。但是，随着他们继续扩张和获取新的来源，这就使可用的数量成倍增加，传播速度加快。这一直持续到源的数量开始减少和/或系统的元件耗尽。

令他们惊讶的是，研究小组在观察物质主导的暗能量宇宙时注意到了类似的行为。正如Alinea博士通过电子邮件告诉《今日宇宙》。

“值得注意的是，当空间本身在暗能量和物质主导的宇宙中膨胀时，沉降过程在很大程度上仍然遵循逻辑增长函数。我们没有预料到这个结果，因为在我们看来，一个空间不断膨胀的系统与一个静止的系统大不相同。我们所知道的关于逾渗的大多数研究都是基于静态点阵(例如，森林火灾的蔓延、疾病的传播、信息的扩散)，其中通常观察到逻辑增长行为。我们的研究将这种行为‘扩展’到晶格像我们自己的宇宙一样膨胀的情况。”

然而，他们确实发现，与静态宇宙相比，膨胀宇宙的沉降速度有所延迟。对于暗能量主导的宇宙，他们发现总沉降时间(T)以足够大的膨胀率(H)的发散为标志。根据哈勃定律，当H足够大时，一些行星会膨胀到地平线之外，变得“不可及”本质上，遥远的行星后退的速度可能比光速还快，这使得一个正在扩张的文明不太可能到达它们。

他们还发现，在哈勃球(H)较小的情况下，T和H之间的关系是线性的——换句话说，T大致等于H (T ~ H)。对于一个物质占主导地位的宇宙，他们的发现表明，当H同样小时，同样的关系适用，但当H变得更大时，关系明显改变到T~ H2。与暗能量占主导地位的宇宙相比，T不会呈指数增长或达到无穷大，除非H是无穷大。艾莉尼尔说:

“这很有趣，因为物质主导的宇宙也具有视界的特征。这意味着，对于这个宇宙中距离参考行星足够远的行星来说，它们正在以比光速更快的速度后退，这使得它们看起来似乎无法到达。然而，对于一个物质主导的宇宙，根据弗里德曼方程，运动中的哈勃球正在收缩而不是膨胀。简单而非正式地说，宇宙中远离参考行星的那些行星(最初'移动'速度超过光速的行星)正在'减速'，使它们可以到达，至少在原则上是这样。”

他们在哪里？

根据他们的结果，研究小组确定，高级文明通常会遵循一种增长趋势，这种趋势开始缓慢，但会随着时间的推移而起飞，最终随着“可到达”行星的数量耗尽而放缓并停止。正如Alineal博士所描述的，“这种模式的标志是一个三阶段模式:慢结算率–>快结算率–>慢结算率。”问题仍然是:这对费米由来已久的问题意味着什么？这种三阶段模式如何帮助我们完善在银河系中扩展的高级文明的搜索？

为此，研究小组得出结论，我们的星系目前可能正处于第一阶段，其特点是缓慢的定居速度。这可能是因为现在只有少数聪明、先进的文明参与星际定居。“这个缓慢的阶段可能会因‘活’行星之间的远距离而加剧。但是一旦达到一定数量的旅行文明，我们可能会进入第二阶段，以快速的定居速度为特征。进入这个阶段后，如果有足够的时间，我们可能最终会和外星人打招呼。”

此外，他们的结果提出了人类有朝一日成为星际物种的可能性，这也许是确保我们物种继续生存和发展的一种手段。在暗能量主导的不断膨胀、不断加速的宇宙中，这代表着一种挑战。但是正如Alineal博士总结的那样，有一些选择:

“尽管有足够的技术可以接近光速，但要到达宇宙中的任何一个星球，尤其是遥远的星球，仍然是一个挑战。话虽如此，这个宇宙中有一个球形部分，以我们的位置为中心，它的行星是可以到达的，至少在原则上，是可以定居的。除此之外，还有一些行星以高于光速的速度远离我们，可能无法到达。不幸的是，这个球体正在缩小，所以我们可以居住的宇宙的一部分，虽然在人类的尺度上很大，但随着时间的推移，变得越来越小。”

“如果有一种机制将宇宙驱动到一种状态，使其膨胀率与物质主导的宇宙相同或相似，那么我们将足够幸运地拥有一个宇宙，原则上，它可以被殖民到离我们任何距离的地方；也就是说，宇宙中的殖民和人类影响不受任何领域的限制，不像暗能量主导的宇宙那样。”

总之，费米问题的答案可能是，先进文明正处于早期的缓慢扩张阶段，这(到目前为止)阻止了我们进行接触。但是随着我们可以占据的哈勃空间(H)的球形体积的扩大，我们更有可能足够接近其他人的体积，以至于我们最终会知道我们在宇宙中并不孤独。类似地，虽然暗能量可能会限制我们可以到达的距离(在我们的星系内，不会更远)，但足够大的空间将使我们能够继续发展，并可以防止一次灾难性的命运夺走我们所有的物种。

谁知道呢？也许宇宙膨胀不会像过去40亿年那样继续下去，宇宙会减速并达到某种稳态——爱因斯坦更愿意相信的那种。在那种情况下，我们的哈勃球体可能会继续无限膨胀，宇宙文明之间不会缺少混合。这确实带来了一些令人兴奋的前景，不是吗？