费米悖论：难道宇宙只有地球存在生命？

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费米悖论
宇宙的浩瀚，远远超出人类的想象，但就是如此浩瀚无边的宇宙，却带给我们疑惑：除了我们，宇宙中还有其他智慧生命吗？它们在哪里？物理学家恩里克 费米也提出了这样的问题。

银河系中有数十亿和太阳类似的恒星，其中很多比太阳系古老 10 亿年以上。
其中一些恒星很可能会有类似地球的行星，它们很可能也会孕育智慧生命。
其中部分智慧生命可能会发展出星际飞行的科技。
即使以我们现在能够想象的科技飞行，它们也能够在一百万年内飞遍整个星系。

但是，我们为何完全没有发现一点点外星文明的踪影呢？这就是著名的费米悖论(Fermi Paradox)。
想象一下，如果外星文明智慧程度远远超出人类时，他们会怎么样发展自己的文明呢？其中戴森球是一个很经典的猜想。一个可以利用恒星所有能量的 II 型文明可以建造一个包含整个恒星的巨大球壳，完全吸收恒星的辐射能量。一个完整的壳体从工程上来说难度很大，所以比较可行的方案是建造大量卫星或太空城市，让它们像蜂群一样围绕恒星旋转。这种戴森蜂群（Dyson Swarm）从技术上来说起点很低，而且可以逐步增加。似乎我们今天的技术距离这个设想也不太遥远。

戴森球遮住了恒星的可见光部分，所以会让恒星从肉眼或光学望远镜中消失，但是它自己却会因为吸收能量，温度升高而释放出红外线。在特殊的天文仪器下，这种红外线辐射就像黑夜中的蜡烛一样明显。
如果对于先进的外星文明来说，戴森球也是一个合理的设想，那么，我们应该看见银河系中大量恒星都被掩盖在戴森球内，只向我们发出黯淡的红外线。然而，我们目前连一个戴森球也没有发现。这个问题就是戴森困境（Dyson Dilemma）。
假如一个外星文明想广阔扩展自己的文明，实际上不需要很高的速度 。一个低速文明可以制造大量可以自己复制的冯诺依曼探测器（Von Neumann probe），把它们朝各个方向射向太空。当它们降落在行星上时，可以利用行星上的材料复制自己，然后继续在星系中扩散。假如一个外星文明觉得这是一个可行的方案，那么它只需要几百万年的时间就能把探测器布满整个银河系。

几百万年看似漫长，但对比140亿年的宇宙简直微不足道。但是，我们也没有观察到哪怕一个来自外星文明的冯诺依曼探测器。
自费米悖论提出以来，总的解释大概就只有这三种。
第一类解释：智慧生命在宇宙中十分稀少
稀有地球假说（Rare Earth hypothesis）
费米悖论的前提是，宇宙中的恒星和行星数量都很大，应该能产生很多像地球人类这样的文明。但是，“稀有地球”假说却认为，事实并非如此。从下面列举的因素中，你可以看到像地球这样的行星，在宇宙中是多么稀少。
1成年的稳定星系
幼年的星系十分活跃，含有大量像类星体（Quasar：星系核中的活跃黑洞）和超新星这样的宇宙杀手，它们释放出的辐射可以杀死一切生命
2星系内的宜居带
和恒星系一样，星系内也有宜居带。生命诞生需要在恒星中合成的重元素，并且必须远离恒星活动剧烈的星系核和旋臂，以避开强烈的辐射区域。这样，宜居带只能在星系中部的环形区域。
3合适的恒星
大型恒星寿命很短，比如蓝巨星的寿命往往只有几百万年，远远不够复杂生命的出现和演化。
4 恒星系的宜居带
恒星系内的宜居带指距离恒星不太远，也不太近，温度适合液态水存在的区域。只有在这个区域内，我们已知的生命形式才能产生和演化。
5大行星护盾
在太阳系中，木星是内太阳系行星的护盾。它用巨大的引力清空了自己轨道附近的小行星，并且抵挡住多数来自外太阳系的小行星炮弹，让地球生物有一个安定的环境，可以按部就班地发展。
6没有热木星
热木星（Hot Jupiter）是指距离恒星非常近的气态巨行星。它们通常形成于距离恒星较远的地方，通过轨道迁移来到恒星身边。如果有一个热木星在近恒星轨道运行，它的巨大引力会慢慢把周围的类地行星从宜居区拖出去。

6大气层
如果行星太小，它的引力不足以保住大气层。即使它在早期产生了某种原始大气，也会很快消散在太空中。失去了大气层的保护，连水也会和行星分道扬镳。
我们可能是第一批智慧生命
虽然宇宙的年龄已经有 140 亿年了，但是生命的历史可能并没有那么长。早期的宇宙中可能并不适合孕育生命。那时候可能恒星活动十分剧烈，太空弥漫着致命的辐射等等。只是在最近的几十亿年内，环境才开始改善，宇宙逐渐变得对生命友好起来。如果这种解释是正确的，我们很可能是宇宙中的第一批智慧生命。我们无法听到其他星际文明的声音，是因为宇宙中还没有超过我们的文明。
第二类解释：我们无法察觉它们的存在
赞成这一类解释的人们认为，智慧生命在宇宙中确实普遍存在，但是我们无法察觉它们。
它们一直在呼喊，但我们没有听见
持这种观点的人很多，其实也很容易理解。几千年前，我们用烽火和信鸽传递消息，而现在可以用无线电与几百亿公里以外的太空探测器通信。因此，比我们先进上亿年的外星文明很可能采用我们无法理解或无法掌握的方式向宇宙呼喊。而我们现在只是在倾听来自太空的无线电信号。
然而这种观点有明显的弱点。即使一个外星文明掌握了先进的通信方式，它们也应该能够想到采用低级的无线电方式呼叫落后的文明，除非它们对我们这样的低等文明不屑一顾。其实，有问题的不是传送信息的媒介，而是我们对传送方式的设想。SETI（Search for Extraterrestrial Intelligence）假设外星文明会采用全方位广播的方式向每个方向同时发送无线电信号，但是这样的方式需要的能量太大了。无线电波在太空中传送的衰减非常快，要用广播的方式在星系内找到伙伴，需要的能量远远超过了一颗中型恒星的能量输出。即使对于一个拥有整个恒星能量可以挥霍的 II 型文明来说，这也是难以承受的。

与广播方式不同的是，灯塔只向一个方向发送信号，所以它需要的能量就大大降低了。采用这种呼叫方式的外形文明可以把灯塔对准可能有文明存在的恒星，用高功率发送信号，然后再把灯塔转向下一颗恒星，如此反复。事实上，人类向太空发送的几次无线电信号所采用的都是定向方式。另外，激光比无线电定向性更好，也可以用来传送灯塔信号。
这并不意味着今天的人类可以用这样的方式呼叫星系内的文明。它需要的能量是我们这样连行星能量都无法充分利用的准 I 型文明所无法承担的，但是对于 II 型文明来说就不是问题了。
灯塔信号的目的是为了告诉其他文明：“嗨，我在这里。” 在灯塔信号的后面，它们可以选择用较低的功率传送更多的信息。如果我们被灯塔信号勾起了好奇心，就可以把大量的射电望远镜指向这个方向，用更高的精确度和更长的时间去搜索后面的消息。
灯塔机制也只是一种设想，但是它显然比满天空的扫描，寻找广播信号要靠谱一些，是一种值得尝试的方式。1977 年由俄亥俄州立大学的大耳朵望远镜收到的“Wow！”信号可能就是这样一种灯塔信号。
第三类解释：动物园假说
这种解释认为，地球实际上是一个超级文明的动物园。外星文明早就知道了地球和人类的存在，但是它们选择从一个安全的距离观察，而不与人类接触，就像人们参观动物园一样。
今天我们的动物园或自然保护区内，我们可以出于的目的观察动物，也可以从科学的角度研究动物，但是无法回溯到过去，去观察动物进化的和人类演化的历程。对于一个生命十分漫长（比如上千万年）的星际文明来说，建立一个地球这样的动物园，就可以达到这个目的。也许，超级文明建立了大量的行星动物园，地球只是其中之一。

图片来自The Zoo Hypothesis as Thought Experiment

除非整个宇宙（或星系）的超级文明都结成同盟，决定采用相同的方式对待低等文明，并且每个超级文明内部的成员都严格遵守规定，否则这种隔离是无法有效实施的。只要有一个文明中的一个个体不遵守协议，它就会为地球打开动物园的大门。可以想象，要把所有超级文明联合起来难度有多大。
简谈一下
其他无法分类的零散解释还有很多，其中很多解释都倾向于：外星文明其实早就来到了地球上，只是我们不知道。具体的例子包括风靡一时的“远古外星文明”、罗斯维尔UFO坠毁事件和常常见诸报端和网络的 UFO 目击事件等等。但是这样的解释总是多多少少透露出一些伪科学的味道，所以在这篇回答中就不详细讲述了。
也许，人类确实是孤独的，我们或许就是被困在地球的渺小生物。在我们发现第一个地外文明之前，费米悖论是不能解答的。所以我们只能努力把自己的触角伸向太空，希望有一天看到一只路过的飞鸟。但不论怎样，当你抬头展望星空的时候，其实可以多往这一方面思考。

漫随

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