宇宙大沉默之謎

他們在哪兒呢？

估計很多人都看過著名的科幻小說《三體》，這部科幻小說的第二冊有個副標題，叫“黑暗森林”，很多人看完之后都會覺得印象深刻。然而，可能你們沒有注意到，在小說中，作者借主人公的口，解釋完黑暗森林理論后，接著說了一句這就是“費米悖論”的解釋。而這個著名的費米悖論，正是我們今天要談論的話題，宇宙大沉默之謎。

費米悖論

我們要先從費米悖論開始講起。費米是意大利科學家，二戰期間為了躲避法西斯的迫害，逃亡到了美國。他在美國可以算是家喻戶曉的著名科學家，因為他主導研發了世界上第一個受控核反應堆。這個反應堆就是原子彈工程的起步階段，為原子彈的制造奠定了基礎。兩位獲得過諾貝爾獎的華人科學家楊振寧和李政道都曾經受教于他。

既然叫費米悖論，就是因為這是費米先生弄出來的一個悖論。這個故事大致是這樣的，1950年的一天，費米和幾個同事，在一起吃午餐的時候，偶然聊起了最近的新聞。從1947年羅斯威爾事件以來，不明飛行物是當時的熱門話題。很多人聲稱自己看到了UFO，報紙上也經常報道。正巧，紐約也有新聞說最近垃圾桶經常失蹤，不明不白就沒了。于是漫畫家鄧肯就畫了一張很有意思的漫畫——外星人開著飛碟來到了地球，趁月黑風高之夜，把垃圾桶全都偷走了。

我想這些外星人太沒見識，我們地球人都知道，偷井蓋比偷垃圾桶合算。也不知道這些外星人是聰明還是笨。費米他們幾個談到了UFO，他們當然不相信外星人光臨地球的傳聞，因為這些科學家都受過嚴格的科學訓練。知道什么是可靠的證據，什么是捕風捉影的臆想。但是，就在這時候，費米的這顆聰明腦袋中突然冒出了一個問題。

他的直覺告訴他，在地球上沒有發現外星人存在的證據，這件事情似乎有點兒不可思議。費米是個估算的高手。有一個著名的事件，當年測試原子彈爆炸的時候，他第一個跳起來，撒了一把碎紙屑。他根據原子彈沖擊波把紙屑吹出去的距離，就準確估算出原子彈的當量是2萬噸TNT。

今天，費米突然想估算一下地球文明與外星文明接觸的可能性有多大。估算必須有個起點，費米的起點是宇宙學第一原理，也被稱為“平庸原理”，意思是，地球在宇宙中并不特殊，只是一顆普普通通的行星。我們也并不是獨一無二的存在。

在這個基本前提下，費米就開始了估算：銀河系有1000多億顆恒星，哪怕只有萬分之一的概率出現地球這樣的行星，也有1000萬個“地球”了，再有萬分之一的概率進化出智慧文明，那也至少應該有1000個像地球一樣的文明了。銀河系的尺度是10萬光年，如果按照百分之一的光速計算，1000萬年就可以從銀河系這頭飛到那頭了，即便是按照千分之一光速的保守速度計算，1億年也能橫貫整個銀河系了。1000萬年也好，1億年也好，相對于地球存在的時間來說，都不算太長，畢竟我們的地球已經存在了46億年之久。

更重要的是，銀河系中的智慧文明利用無線電波互相聯系應該是更加普遍的行為，畢竟無線電波的速度可以達到光速，如果以光速作為考量的話，那么銀河系就很小了，再相對地球46億年的歷史來說，早就應該有無數智慧文明發射的無線電信號到達了地球才對。

可是我們人類卻什么痕跡也沒發現，這不是一件奇怪的事情嗎？假如發達的外星文明有很多，那么他們都在哪兒呢？正是費米當時的這句感嘆“那么他們都在哪兒呢？”成為了著名的“費米悖論”。

我們來理一下費米悖論的邏輯關系，它的核心思想是“人類沒發現外星人的蹤跡（簡稱觀點甲）”和“人類應該發現外星人的蹤跡（簡稱觀點乙）”相矛盾，但目前我們已經知道觀點甲是事實，這樣一來，就必須要給觀點乙一個合理的解釋。

實際上，在費米剛剛提出這個疑問的時候，不管是他自己還是其他人，也都當是一個茶余飯后閑聊的談資而已，并不會去深入思考這個問題有沒有什么嚴肅的科學研究價值，或者社會學意義。而且，在1950年那個時代背景下，要解釋人類為什么沒有發現外星人這個問題還是相對容易的。

反對的人可以從兩個角度去反駁，第一個角度是質疑宇宙學第一原理，憑什么認為地球這樣奇特的環境在宇宙中是普遍存在的呢？那個時候，人類的望遠鏡還很弱，根本無法證實太陽系以外還有行星。而且，根據天體物理學的定律，我們也可以計算出，恒星系中的宜居帶，也就是允許液態水存在的溫度區域是相當狹窄的。狹窄到什么程度呢？我們以太陽系為例，假如我們把整個太陽系比作是一個足球場的話，你用美工刀在足球場中心附近劃出一個圈，劃痕所在的區域差不多就是宜居帶的大小了。因此，平庸原理在沒有證據的情況下，是完全可以質疑的。

反對者的第二個反駁角度是，人類還沒有仔細監聽過來自宇宙的星際無線電波，憑什么說外星人沒有試圖用無線電與我們取得聯系呢？費米提出問題的年代也是射電望遠鏡剛剛發明的年代，那時候的射電望遠鏡分辨能力還比較低，并且也沒有幾個人把射電望遠鏡的使用目標設定在監聽外星智慧文明信號上，所以，當時沒有收到外星人發給地球的電報不是太正常不過了嗎？

監聽和尋找

所以，費米的閑聊很快就過去了，沒有什么人真正把它當回事。不過，在美國確實有一位癡迷于尋找外星人的射電天文學家，他就是法蘭克·德雷克。1960年，德雷克使用美國國家無線電天文臺的射電望遠鏡開始了他的第一個地外文明搜尋計劃，史稱第一次“奧茲瑪計劃”，這是人類歷史上第一個由嚴肅科學家代表官方實施的外星人搜尋計劃，具有開創性意義。

從此開始，人類搜尋地外文明信號的努力就再也沒有停止過，而且投入的資源也越來越多，規模也越來越大。就在2016年，全世界最大的單口徑射電望遠鏡中國天眼在貴州落成，也正式加入搜尋地外文明電波的戰斗中。然而，將近60年過去了，人類依然一無所獲。如果銀河系中真有無數個外星文明存在的話，那么它們似乎對地球集體保持了無線電靜默。人類就像是一個孤獨的小孩，寂寞地調節著收音機，一個頻率一個頻率地慢慢搜索過去，雖然全神貫注地聽了60年，卻什么也沒有聽到。

這是費米悖論逐漸受到科學界重視的原因之一，在費米那個年代，人們只是感覺宇宙是沉默的，但并沒有證據。可是今天，我們已經積累了快60年的證據。

第二個原因就是宇宙學第一原理也獲得了大量觀測證據的支撐。從1995年人類發現第一顆系外行星開始，人類發現系外行星的速度就逐年遞增。截止到2017年8月，綜合英文維基百科和NASA官網提供的數據，天文學家已經發現了將近5000顆系外行星候選者，超過3200顆已被確認，這其中被確認位于宜居帶的行星有53顆。

這里要特別說明的一點是，這些系外行星中的80%以上都是由開普勒空間望遠鏡發現的，而開普勒望遠鏡是固定地對著天鵝座附近的一小塊天區，也就是說，它只能觀測固定的10萬顆恒星左右。它采用的方法叫作“行星凌日”法，這種方法有一個苛刻的要求：只有當系外行星的公轉平面與地球的公轉平面大致平行且處在同一水平線上時，才能被開普勒望遠鏡觀測到。因此，按照概率來說，在這10萬顆恒星中，大約只有1%，也就是1000顆恒星系中的地外行星能被觀測到。現在我們的觀測證據表明，幾乎所有的恒星系統中都存在行星，而且都不止一顆。

這些證據足以表明宇宙學第一原理是可靠的，地球在宇宙中的地位并不特殊，與地球相似的系外行星比過去最大膽的天文學家估計的還要多。

正是在這樣的背景下，越來越多的科學家、哲學家開始對費米悖論感興趣了，既然大量地外文明存在的可能性很高，那么他們都在哪兒呢？

人類在將近60年的監聽過程中，只有唯一的一個真正令人激動的發現，這個發現是什么呢？如果你想知道的話，在我的微信公眾號“科學有故事”中，回復“Wow”就可以觀看了。

黑暗森林法則

上一節我給大家講了從宇宙學第一原理出發，我們似乎應該得出一個最合乎邏輯的結論就是：人類應該收聽到來自外星文明的電波。但現實情況是，我們很努力地監聽了將近60年，卻一無所獲。這樣的話，就需要一個解釋，為什么宇宙似乎對人類保持了無線電靜默呢？要知道，這絕不是技術上的問題，即便是以人類20多年前的技術，就已經能把無線電波發送到銀河系的任何角落，而且抵達目標的信號強度用現有的人類技術就能接收到。

這個問題隨著時間的推移，也受到了越來越多科學家、哲學家和科幻作家的關注，歷史上有很多人都試圖給出一個合理的解釋。早期的解釋大多集中在否定宇宙學第一原理這個思路上，認為地球是宇宙中，至少是銀河系中非常特殊的一種存在。不過，我們上節也說過，隨著觀測證據的增多，稀有地球假說也就越來越不吃香了。現在還在持稀有地球假說的人都已經上升到了稀有地球說的2.0版本，也就是說，他們不再否定類地行星在宇宙中是很普遍的這個基本前提。但是他們會提出，出現智慧生命需要的條件實在太苛刻了，而我們現在找到的所有超級地球無非只是滿足了兩個最基本的條件，一是和地球差不多大小并有著堅硬地表的巖石星球，二是位于宜居帶中。

但是，一顆行星想要誕生生命，尤其是智慧生命，哪有這么簡單呢？你們知道還有多少苛刻的條件嗎？比如說：

木星在太陽系中扮演了非常重要的角色。一方面它替地球遮風擋雨，吸引了無數小天體的撞擊。另一方面它又擾亂小行星帶，造成大大小小的冰塊砸向了地球，地球因禍得福在內太陽系有了充足的水源。因此巨行星的位置也非常重要。

再比如，地球有個超大號衛星月亮造成了潮起潮落，對生命演化也是有作用的。地球是有板塊的，激烈的地震火山可以釋放地球內部的能量，地球也就不會冷得太離譜。而且可以改變地球大氣的成分。

即便有了生命也不代表能出現智慧生命。細菌病毒都可以億萬年地生存下去。誕生智慧生命本來就是非常偶然的事件。智慧生物能發展出工業文明更是奇跡中的奇跡。假如某顆恒星的煤炭和石油都埋藏過深，那么生命恐怕也難以走上利用外部能源的道路。

但這種稀有地球假說2.0版被吐槽最多的地方是，這種假說太像是“蘿卜招聘”，也就是說，把外星人完全按照地球的特征來擬定智慧生命存在的條件，當然篩來篩去就只有地球一家最合適嘛。劉慈欣在《三體》中就描寫了一個會脫水的三體人來適應三體星上反復無常的自然條件，自然選擇的神奇之處可能遠遠超出人類的想象。

還有一種假說，被稱為“大過濾器”假說，這種假說也由來已久，而且還在不斷地被完善升級中，這種假說與稀有地球假說有點像，但實質上不太一樣。這種假說不否定宇宙學第一原理，但是認為，存在著某種大過濾器，使得宇宙中能演化出有能力進行星際通訊和旅行的文明少之又少。這個理論認為，生命的演化要經歷9個關卡。

 

1．合適的行星系統（存在有機物以及可能宜居的行星）；

2．可自我復制的分子（比如RNA）；

3．簡單單細胞生命，也叫作原核生命；

4．復雜單細胞生命，也叫作真核生命；

5．有性生殖；

6．多細胞生命；

7．腦量較大、使用工具的動物；

8．我們目前這個階段；

9．星際殖民擴張。

 

每一道關卡，都會刷掉一大批候選者，最后能通過全部9關的，要么極為稀少，要么就是還沒出現。我們人類似乎被卡在了第8關，進入不了第9關，也就是星際殖民這一關。例如，卡爾·薩根和約希夫就提出，技術文明要么會在持續一個世紀的發展星際通訊的過程中走向自我毀滅，要么掌握自己的命運并繼續存活上億年。籠統地講，一個星球總是會從有序走向無序，也就是可用的資源越來越少。如果在此之前還無法發展出足夠強大的宇航技術，那么最終也一定會因為資源枯竭而亡。這里面真正起作用的就是熱力學第二定律，也就是我們之前講過的熵增定律。

這個假說是目前比較流行的假說，也是得到最多支持的假說，雖然沒有什么明顯的邏輯上的漏洞，但最大的問題在于，我們只有地球生命這一個研究對象，實在是缺乏證據來證明每一關都會篩掉大量的候選者。而且從我看到的所有材料綜合來看，研究生命起源和演化的科學家們似乎越來越有信心地說，在地球這樣的環境中，出現生命并且演化出高度復雜的生命形式是自然選擇的必然。

還有一種假說，也是最晚提出來的一種假說，就是科幻作家劉慈欣先生在2008年創作的科幻小說《三體·黑暗森林》中提出來的假說。他認為，由于宇宙中資源的總量是恒定的，而生存是文明的第一需求，因此，文明在發展到一定階段后，必然會意識到宇宙是一座黑暗森林，所有的文明都在爭奪有限的資源。一個文明如果暴露了自己的位置，是一件非常危險的事情，因為別的文明會由于害怕自己被消滅，而率先消滅比自己弱小的文明。

劉慈欣借助科幻小說，預言了文明在發展過程中，第一步會演化出隱藏基因，也就是開始意識到宇宙叢林的危險，而自己很弱小，所以要盡可能地把自己藏好，不要暴露位置。第二步就會演化出清理基因，也就是說，一旦發現了別的比自己弱小的文明，就會毫不猶豫地把它消滅，以免這個弱小的文明以技術爆炸的方式超過自己，反而消滅了自己。

我覺得黑暗森林理論最有意思的地方在于，人類文明發展的軌跡似乎完全印證了劉慈欣的預言。例如，在人類剛剛發展出宇航技術和發明射電望遠鏡的頭幾十年，我們特別熱衷于聯絡外星文明。例如，20世紀70年代，先驅者10號和11號，旅行者1號和2號，都分別攜帶了送給外星人的禮物。那張著名的金唱片中還錄制了聯合國秘書長和美國總統代表人類對外星人的友好問候，還歡迎外星人來地球坐坐。1974年，人類首次利用當時全世界最大的阿雷西博射電望遠鏡向武仙座球狀星團發送了電報。此后，人類在1999年、2001年和2003年還有三次大規模的給外星人發電報的行為。但是，2003年之后，這種行為開始遭到了越來越多科學家的警告和譴責。其中最著名的一位就是霍金，他多次發出不要與外星人聯絡的警告。

2005年3月，在圣馬力諾共和國召開了第六屆宇宙太空和生命探測國際討論會，在這次會議上通過了一個在尋找外星人歷史上有里程碑意義的文件，也就是圣馬力諾標度。在這份文件中，明確指出，試圖給外星文明發送電報是顯著危險的行為，而回應來自外星文明的電報則是極端危險的行為。

國際航空學會甚至還搞出了一份《尋找地球以外智慧生命國際公約》，向全世界呼吁，在未征得國際組織研究批準前，不允許發送任何信號給地球以外的智慧生命。

從以上這些事實中，我們可以得出結論：人類正在演化出隱藏基因，認為宇宙有風險正在逐步成為國際共識。那么，人類在下一步是否會演化出清理基因呢？這個恐怕要等到非常非常遙遠的未來才能知道了，別說星際攻擊了，就是星際旅行的技術對現在的我們而言，都是遙不可及的夢想。

但是黑暗森林理論也存在與大過濾器理論同樣的問題，從人類這一個有限的樣本中得出的結論還不能算是證據，只能算是一種邏輯自洽的猜想。

總之，費米的疑問到現在為止還是一個宇宙未解之謎。這并不是一個完全虛無縹緲的話題。我們常說，以人為鑒，可以明得失；以史為鑒，可以知興替。而我認為，對于外星文明的研究和探討可以站在整個文明的角度審視人類文明自身。

想聽聽號稱要帶領人類殖民火星的馬斯克是怎么看待外星人問題的嗎？如果你有興趣，在我的微信公眾號“科學有故事”中回復“Musk”，就可以觀看了。