天文趣事一一“费米佯谬”的背后

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天文趣事一一“费米佯谬”的背后

    核物理学家恩里科·费米因发明原子核探测技术而获 1938 年诺贝尔奖。他领导的小组开发出了全球第一个核反应堆。费米本人也在曼哈顿计划中扮演了核心角色。在洛斯·阿拉莫斯国家实验室的一次午餐会上，他针对外星文明是否存在提出了一个著名的疑问：“他们在哪里？”这个疑问被认为是“费米佯谬”的基础。图片来源：美国史密森研究所档案馆。和牛顿的苹果、乔治·华盛顿的樱桃树一样，费米的这个故事已经变成了传奇。1950 年的一天，杰出的物理学家恩里科·费米在新墨西哥州洛斯·阿拉莫斯国家实验室富勒小屋和同事们共进午餐，期间进行的关于地外智慧生命是否存在的讨论，后来发展成了所谓的“费米佯谬”。
    但是和许多传奇一样，这个故事只有部分真实。罗伯特·葛雷最近在《天体生物学》期刊上讲述了历史的真相。恩里科·费米是 1938 年诺贝尔物理学奖获得者，他领导的小组在芝加哥大学开发出了全球第一个核反应堆，费米本人也是曼哈顿计划的关键人物。他所在的洛斯·阿拉莫斯实验室，实际上就是这个计划的总部。一般认为，费米在午餐会的讨论中作了这样一番推理：银河系内有许多适宜居住的类地行星。假如一部分行星上产生了具有智慧的生命和技术性文明，那么这些文明社会最终就会有能力进行某种方式的星际旅行。这类文明会对邻近的恒星系统进行开拓殖民。而新的行星殖民地又将派出新的殖民远征队，这一过程会持续进行，直到银河系的每一个宜居行星被开发完。根据以上推理，以及现在地球上没有外星人这个事实，便能够有力地证明银河系内没有外星文明。爱德华·泰勒是洛斯·阿拉莫斯国家实验室理论物理学分部小组领导人，战后成为了氢弹开发计划的核心人物。泰勒是费米午餐会的参与者。图片来源：美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室。但这个观点实际上并不是费米的，而是 25 年后的天文学家米歇尔·哈特的。
1980 年，宇宙学家弗兰克·蒂普勒也在论文中对此进行过详尽的阐述。

费米在午餐会期间的谈话确实发生过。尽管他四年后就因癌症去世，物理学家埃里克·琼斯三十五年后出版了一本回忆录，记述了当时参加这次午餐会的三位物理学家。这三位物理学家同样著名，而且也是曼哈顿计划的成员。他们是爱德华·泰勒、埃米尔·科诺平斯基和赫伯特·约克。泰勒是氢弹开发的核心人物。科诺平斯基负责研究原子核结构，约克后来是劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的理事。在前往富林小屋的路上，这些杰出物理学家讨论的话题是最近大量出现的所谓不明飞行物目击事件，以及《纽约客》杂志上对外星人和飞碟进行描绘的漫画。当人们坐下来共进午餐时其实已经不再专注这个话题。据爱德华·泰勒回忆，“谈话时，费米突然发问，令大家始料未及：‘他们在哪里？’……所有人都觉得这是个笑话，因为再明显不过，他指的是外星人”。

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泰勒认为，“我不认为这次谈话有太多的实质性内容，除了一个观点，即人类和外星人相距十分遥远。如果考虑到银河系的规模，那么人类所在的位置其实非常偏僻，远离银河系中心的‘大都会’。”赫伯特·约克是曼哈顿计划的物理学家，也是中性π介子的共同发现者，以及劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的首任理事。他也是费米午餐会的到场人员之一。来源：美国国家核安全局。而在约克的回忆中，当时的讨论内容很广泛。费米“还计算了类地行星存在的机率，地球生命诞生的机率，人类诞生的机率和高技术文明产生并维持的机率等。在这些计算结果基础上，费米得出结论：很久以前，外星人就应该来过地球，而且还来了很多次。”但是事实上外星人还没有访问过人类，因此费米猜测，“可能是星际旅行无法实现，或技术上能够实现但不值得去做，也有可能技术文明无法维持足够长的时间。”从这些事实中可以看出，费米和哈特的观点是不同的。费米并不怀疑地外生命的存在，也没有把他们的不出现视为一种佯谬。所以费米佯谬是不存在的，存在的只有简单的费米疑问：“他们在哪里？”而这个问题的答案有多种可能性。费米比较偏好的答案是：外星人没有到达地球的原因只是因为宇宙空间过于浩瀚，与星际旅行可不可行无关。星际之间的距离确实非常浩瀚。假如以海王星轨道为界，把整个太阳系缩小到四分之一美元硬币那么大，那么距离我们最近的恒星——半人马座比邻星，仍然在一个足球场之外。要穿越如此浩瀚的距离，飞船的速度就必须相当快，至少要达到光速的一部分；或者需要这架飞船能够在非常长的一段时间中维持乘员的生存。因此无论理论上是否可行，星际旅行对于今天的人类来说确实是一项极其宏伟的事业。与此同时，我们也无从知晓外星文明能不能够，或愿不愿意为星际旅行收集所需的巨大资源。银河系模拟图。天文学家米歇尔·哈特和宇宙学家弗兰克·蒂普勒认为，外星生命会殖民每一个可以殖民的行星。正因为他们没有殖民地球，所以银可系中并不存在外星生命。然而萨根考虑的可能性更为广泛。来源：美国宇航局。因此费米并没有怀疑外星文明的存在，而只是猜测星际旅行是否可行，或者外星旅行家是不是还没有在浩瀚的银河系中发现地球。而哈特却认为，假如银河中存在外星文明，那么他们必然会开发出星际旅行技术，并向邻近恒星系统派出殖民远征队。而新的殖民行星又会派出新的星际飞船，从而在整个银河系内掀起殖民浪潮。如果是这样，那么这样的殖民浪潮需要多久才能传遍整个银河系？假设飞船速度能够达到光速十分之一，并且无需建造新飞船，那么殖民浪潮应该会在 65 万年内传递整个银河系。

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    假设这些殖民者需要一点时间来发展自己的行星，并建造更多飞船，那么殖民者遍布银河系的时间大约是两百万年。放在宇宙的尺度上，这是很短的一段时间。因此哈特认为，外星文明没有在地球上出现证明银河系中没有外星文明。1980 年，宇宙学家弗兰克·蒂普勒又对哈特的观点加以了引申，认为外星殖民者还能开发出可以自我复制的机器人，来协助他们进行殖民。费米的声望使哈特的观点获得了不该有的可信度。地外智慧搜寻行动（SETI）旨在通过射电望远镜监听外星人的无线电信号，寻找外星文明存在的证据。与发射宇宙飞船相比，发射信号要容易得多，而且对于今天的我们来说，这种技术也具有可行性。美国波多黎各阿雷西沃射电望远镜，它是 NASA 的高分辨率微波巡天基地，曾用以搜寻外星无线电信号。1993 年后政府资金已被切断。图片来源：美国国家科学基金会哈特-蒂普勒的推测究竟有多少可信度？和哈特一样，卡尔·萨根也对星际旅行持乐观态度。1963 年，早于哈特整整十年，萨根发表过一篇文章，分析了星际旅行对外星智慧生命的重要性。和哈特一样，萨根认为“假如殖民是一种法则，那么即使有能力进行星际旅行的外星文明只有一个，他们也会迅速地扩散。殖民地遍布整个银河系所需的时间要比星系的寿命短得多。外星殖民者将无处不在……”但是萨根为什么并没有断言，因为外星人没有到来，所以他们就不存在呢？这是因为萨根考虑到，无休止的殖民可能并非外星旅行家的唯一目的。他认为，“太空旅行者会频繁造访那些缺乏技术文明的宜居行星。但是我们不清楚他们会有怎样的进一步反应……也许他们严格禁止殖民，也许那些欠发达的行星会受某种“银河法律”的保护。我们无从判断外星伦理。也有可能他们正试图对所有宜居行星进行殖民……但是各种可能性都存在。”且不论星际旅行是否可行，哈特的观点是非常狭隘而投机的。哈特假设外星人会进行无休止而迅速的扩张，又假设他们的殖民地建立后能够维持很长的时间。假如这些假设中有任何一部分不准确，那他的观点就无法成立。进化生物学家史蒂芬·杰·古尔德对哈特的这种投机推测进行了严厉批评。他认为，“我必须承认，我根本不知道该如何回应这种观点。我自己身边的麻烦已经够多。不同人类文化间的思想行为差异已然困扰着我。我才不信外星智慧生命的行为方式会如此简单。”

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    1981 年，萨根和行星科学家威廉·纽曼曾对哈特和蒂普勒的观点作过一次回应。他们用了一个数学模型，用以模拟星际殖民。这是一个类似群体生物学家用以分析动物种群扩散的数学模型。这个数学模型得出的结论是，哈特的猜测非常地不着边际。种群的扩张速度非常慢。举例来说，某个行星上的文明必然需要控制族群的出生率，才能避免生态崩溃。假设殖民地永久存在，那么这样的外星社会最终可能会脱离扩张主义倾向。穿越罗马只需一天，但罗马却不是一天建成的。发展的过程要缓慢得多。假如智慧生命有着相似的演化历程，那么在第一波扩张浪潮席卷整个星系之前，其他文明就已出现。假如多个文明的殖民浪潮同时产生，那么不同的外星文明终会相遇。然后呢？无人知晓。银河系的历史是难以预测的。纽曼和萨根的观点是，地球上没有外星智慧生命到来，不意味着银河系中没有外星智慧生命，也不意味他们永远不会到来。“在银河系中，没有一个古老文明拥有始终如一的征服策略：‘银河帝国’并不存在。”其实真相很简单，那就是今天仍然无人知晓银河系中是否存在着其他智慧文明。因此搜寻外星文明的无线电信号仍然是一种可行的方法。我们需要停止猜测，而认真学点什么

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的确有趣！