費米悖論

費米悖論最初的想法並不是由費米提出的，而是出自康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基於1933年所作的一份未經發布的手稿 ^[2]  。他這樣寫道：“人們否認了外星文明的存在，因為，如果外星文明真的存在的話，應該會發生兩件事情：一是它們應當拜訪過地球了，二是它們應該向我們發出過一些它們存在的信號。”

至此，這個問題並沒有形成悖論，而只是一個簡單的假説演繹。因為基於我們尚未發現外星文明這一事實和齊奧爾科夫斯基的理論，我們應當得出的結論是“宇宙中不存在地外文明”，並不會產生矛盾。

直到1950年，費米與他的同事們談話時聊到了外星文明在哪裏這一問題 ^[3]  。他們同樣想到，如果存在外星人，那麼人類應該已經發現過外星人了。但與齊奧爾科夫斯基不同，費米在討論之後進行了簡單的計算，並提出外星文明存在的概率是很大的。因此，這個問題成為了一個悖論。

在費米去世後，上述內容被他的同事發表，這個悖論也被稱為費米悖論。

我們可以看到，費米悖論最重要的兩個矛盾論點是：

1.銀河系中應當存在大量的外星文明

2.我們沒有觀測到外星文明的跡象

那麼對於第一個論點，我們如何去證明或者證偽它呢？

德雷克公式可以很清晰的描述這個問題

德雷克公式的形式如下：

N=Ng×Fp×Ne×Fl×Fi×Fc×FL

左側的N表示現在銀河系中應當存在的可被觀測到的地外文明數量，右側的前三項表示銀河系行星總數，後面幾項則表示多級條件概率，將外星文明誕生併發出信號所需的每一步概率相乘得到一個總概率。

Ng：銀河系內恆星數目；

Fp：有行星的恆星佔所有恆星的比例；

Ne：恆星周圍類地行星的平均個數；

Fl：類地行星上演化出生命的概率；

Fi：從原始生命演化至高智生命的概率；

Fc：高智生命發出能被人類文明所觀測的信號的概率；

FL：科技文明持續時間在行星生命週期中佔的比例； ^[5-7] 

方程中的每一項所代表的含義都是層層遞進的，基本思路是計算“在上一個條件被滿足的情況下，下一個事件發生的概率”。

而整個德雷克方程具體化了外星文明存在的概率，因此我們可以通過研究每一項的概率來探討外星生命是否存在這個問題。

然而我們要注意到，這個方程中的很多概率實際上幾乎是無法測量或計算的。德雷克寫出這個方程並不是真的希望使用這個方程求出銀河系中地外文明的數量，而只是藉助這樣一個數學表達式來明確我們在研究外星文明時的問題，提醒我們探討費米悖論的第一個論點時應當考慮到哪些因素。

這個方程還有另一種表述方式：

N=R*×Fp×Ne×Fl×Fi×Fc×L

R*：銀河系形成恆星的平均速率；

L：科技文明壽命；

它與第一個方程的區別僅僅是通過數學變換將Ng×FL換成了R*×L，它們並沒有什麼實質性的區別，只是將討論的具體對象由銀河系恆星總數變成了銀河系恆星形成速率。

當然，德雷克方程不僅僅可以用於研究費米悖論中的論點一，還可以幫助我們更好地詮釋費米悖論。德雷克方程可以分為兩部分，Ng×Fp×Ne×Fl×Fi×FL和Fc，準確來説只有第一部分討論的是外星文明的存在性，而第二部分是基於外星文明存在的基礎上，外星文明發出可觀測信號的概率，這一部分實質上是費米悖論的內在邏輯——只要外星文明存在就應當被我們觀測到。

如前文所述，有了德雷克公式，人們就可以通過估算德雷克公式中的每一個概率來估計外星文明存在的概率。如果通過德雷克公式估算出外星文明的存在量很大，説明按照這種估計方法理應存在足夠數量的可被觀測的外星文明，費米悖論的解決也就應當從其它角度去思考。當然，也有很多理論就是通過降低德雷克公式右側的某個概率，來證明外星文明可能並不存在，從而解決費米悖論。

1975年，哈特在皇家天文社會學學報上發表論文《關於地球上地外文明缺席的解釋》，首次把費米悖論作為一個嚴肅的概念來討論。

哈特的文章獲得了出奇高的關注率，大量的科學家開始積極關注費米悖論並提出自己的意見。以觀點激進而聞名的蒂普勒極力主張用一種理論上能進行自我複製的“馮·諾依曼探測器”來代替無線電搜索。格瑞恩則認為德雷克公式的各項參數設置存在缺陷，並在論文《大沉默：關於地外智慧生命的爭論》中提出補充建議。 ^[4] 

由前文可以看出，費米悖論所描述的是“人們沒有觀測到地外文明存在的跡象”和地外文明存在的高概率之間的矛盾，而文明存在的跡象可以有很多種，因此費米悖論就可以通過很多形式進行表示。

費米悖論主要可以表述成兩種形式。一種是“為什麼沒有發現外星人或者外星物品？”如果星際旅行是可行的話，即使是用人類造的飛船這樣緩慢地旅行，也只需要5百萬到5千萬年就可以航行到銀河系邊緣。就算不考慮宇宙尺度，在地質學尺度上這也是一個相當短的時間。因此，我們沒有發現外星人或外星物品這一事實本身就可以體現費米悖論；同時，宇宙中存在很多年齡比太陽更大的恆星，這就意味着外星智慧生命可能進化得更早，因此費米悖論的另一種表示形式就變成了“為什麼星系還沒有被殖民”。即使殖民對所有外星文明來説都是不合實際的或者是不想去做的，大規模的星際探索也應該是有可能出現過或正在進行的。但到目前為止，沒有任何關於殖民和探索的證據得到承認。 ^[3] 

悖論的基礎是對悖論中互相矛盾的論點及悖論的邏輯進行論證。我們解決悖論時，也要從這兩個點入手進行思考。

具體到費米悖論就是：“外星文明大量存在”“我們沒有探測到外星人”這兩個事實，以及“外星文明存在就應當被我們觀測到”這個邏輯。

費米悖論的第一個基礎，即尺度問題，是一個數量級估計：銀河系大約有2500億（2.5 x 10¹¹）顆恆星，可觀測宇宙內則有700垓（7 x 10²²）顆。即使智慧生命以很小的概率出現在圍繞這些恆星的行星中，那麼僅僅在銀河系內就應該有相當多數量的文明存在。這也符合平庸原理的觀點，即地球不是特殊的，僅僅是一個典型的行星，具有和其他星體相同的規律和現象。

費米悖論的第二個基礎是對尺度觀點的答覆：考慮到智慧生命克服資源稀少性的能力和對外擴張的傾向性，任何高等文明都很可能會尋找新的資源和開拓他們所在的恆星系統，然後是涉足鄰近的星系。但在宇宙已經誕生138億年之久這個條件下，理論上足夠高等文明進行擴張到足以被我們觀察到的程度，然而我們卻沒有在地球或可觀測宇宙的其他地方找到其他智慧生命存在的切實可靠的證據；因此，可以認為智慧生命是很稀少的，或者説我們對智慧生命的一般行為的理解是有誤的。 ^[8] 

悖論的存在，説明我們的假設或者邏輯存在錯誤，因此我們的實驗探索也將集中在這兩個方面。目前為止，人類對費米悖論做出的最好的實驗探索集中於嘗試發現外星文明，這是最直觀且具有高可行性的實驗方式。因此本節主要討論外星文明探索這一方面，而通過其它思路去解釋費米悖論的理論將在下一節中説明。

自1960年來人們就有各種各樣的嘗試，並且很多項目仍在進行之中。因為人類沒有星際旅行的能力，所以這種探索只能是遠距離進行的，而且要求對細小的線索做仔細的分析。

這種限制導致我們只能去探索那些對環境造成顯著影響的文明，或者是產生了能接收遠距離探測的信號技術的文明，比如射電輻射。而沒達到相應技術水平的文明 ^[3]  在不遠的未來不太可能被地球探測得到。

值得注意的是，尋找地外文明要注意避免過於以人類為中心去看待線索。我們總是習慣地以為，探測到的現象會與人類活動能夠產生的現象相似，或者會和人類獲得先進科技之後能產生的現象相似。然而，智慧外星生物的行為可能不符合我們的預測，或者以對人類來説完全新穎的方式表現出來。

下面是一些著名的項目：

SETI計劃是Search for Extra-Terrestrial Intelligence的縮寫，意為搜尋地外文明。該計劃由美國天文學家德雷克於1960年開啓。這個計劃希望通過對射電信號的解析來探測地外文明。首先在大量的射電信號中嘗試尋找“非自然”的信號，如果這類信號存在，則有可能是地外文明發出的，我們就可以繼續對這個信號及其發射位置進行更細緻的研究，嘗試發現地外文明。這個計劃開啓後，不斷有世界各地的射電望遠鏡加入該計劃，位於中國貴州的世界上最大口徑的射電望遠鏡——五百米口徑球面射電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST）也於2020年4月加入了該計劃。

由於這項計劃需要從大量的射電數據中判斷是否存在地外文明信號，因此這項計劃對計算機的算力需求很大。於是SETI團隊在1999年發起了SETI@HOME項目，發動廣大羣眾加入到地外文明探索項目中。在客户安裝指定軟件後，它就會在客户不使用計算機的時候利用計算機的算力解析數據，而這時用户的計算機屏幕會通過屏保界面顯示正在處理的數據。

突破攝星（Breakthrough Starshot）計劃指以近距離拍攝其它恆星系的方式來“突破”沒有發現外星人這一事實，由英國物理學家史蒂芬·霍金聯合俄國投資人尤里·米爾納於2016年4月宣佈啓動的。該計劃首先要將數千個僅有郵票大小的小型太空飛船發射入地球軌道，然後通過激光加速將其加到約20％光速的高速狀態，並將它們對準其它恆星系，拍攝其它恆星系的照片後，通過激光傳回地球，從而判斷地外文明是否存在。 ^[9] 

突破聆聽（The Breakthrough Listen）計劃意為通過聆聽其它恆星的信號來“突破”沒有發現外星人這一事實。該計劃同樣由霍金提出，並由尤里·米爾納出資支持。這項計劃使用世界各地大型望遠鏡監聽臨近地球的100萬顆恆星，從這些恆星的電磁波信號中解讀出可能證明地外文明存在的信息，進而證明它們的存在。

在物理學家史蒂芬·韋伯於2002出版的《地外文明在哪兒？》一書中，列舉了費米悖論的50種解決方案，主要可以歸納為以下三個方面

一、宇宙中不存在別的文明。

二、外星文明是存在的（或曾經存在過），但它們迄今為止還無法和我們接觸。

三、外星文明已經來到地球，只是我們不知道。

我們來看幾個具體的理論：

動物園假説（Zoo hypothesis）由John Ball 於1973年提出，該理論認為高等地外文明是存在的，但是人類被某個或某些高等文明切斷了對外交流的通道，以此來達到一些目的。

該假説有很多變種假説或拓展假説，如天文館假説、禁區假説。它們的本質都是某個或某些地外文明阻止了我們與其它外星文明的接觸。 ^[10] 

銀河系中的可居住行星分佈並不是完全均勻的，而是呈現出一個個“島嶼”的分佈狀態，那麼地外文明的殖民就不會是隨意的，而是會以這些“島嶼”為主要的殖民目標。地球恰巧處於宇宙中一片很荒涼的地方，所以沒有地外文明造訪的情況是可能發生的。

與滲透假説（Percolation Theory Hypothesis）類似的，還有夏蟲語冰假説、黑暗森林假説等。這類假説普遍認同地外文明是存在的，但出於某種原因，它們尚未到達地球。 ^[11] 

任何一個星球上，從生命誕生，到形成文明，再到星際殖民都需要經過非常漫長的過程，而這個過程中有很多的關鍵節點，它們發生的概率是非常小的，可以將每一個節點都稱為過濾器。因此，大過濾器假説（Great Filter）是指，一個可被我們探測到的地外文明的形成都需要通過大量的過濾器，而成功通過所有過濾器的概率是非常的小的（可以思考為前文所述的德雷克公式中各項的概率很小）。即使乘以銀河系中總行星數這一個如此龐大的基數，地外文明的個數仍有可能是極少的，甚至人類可能是銀河系中唯一的文明。而考慮到以目前人類的技術水平並不足以對周圍的空間產生足夠明顯的影響，這一個理論的另一種可能就是人類和許多宇宙中可能存在但沒有被我們發現的地外文明一樣，都尚未通過大過濾器，而在未來會有某種因素限制了我們向宇宙中發展。

與該理論類似的還有災變論、長子假説等，它們普遍認為地外文明存在的數量有限甚至根本不存在地外文明。 ^[12] 

“費米悖論”形成以後，在天文學界一直有着相當大的影響，因為提出的基礎是科學探知的事實：古老的銀河系，已有約100多億年的年齡，而銀河系的空間直徑卻只有大約10萬光年，這就是説，即使外星人僅以光速的千分之一翱翔太空，他們也不過只需1億年左右的時間就可以橫穿銀河系——這個時間遠遠短於銀河系的年齡。而且僅從數學概率上分析，在浩瀚的宇宙裏，應該有着眾多的類似地球的適合於生命存在的類地行星。並且這其中，有些行星的年齡要遠遠大於地球，因此，它們上面的生命進化，也要遠遠早於地球上的人類。

“費米悖論”提出幾十年來，人類對太空的探索已有長足的進展。航天器已經參觀或探測了太陽系中絕大部分的行星及其主要衞星，天文學家還追蹤了成千上萬顆星球發出的射電信號。但是，這些搜尋行動一無所獲，人類並沒有發現能夠證明外星人存在的生命信號。“費米悖論”的實質就是否定外星文明的存在：既然我們至今還未發現外星人的蛛絲馬跡，為什麼還要相信它呢？

費米悖論也被應用於文學創作中。中國作家劉慈欣的科幻小説《三體2：黑暗森林》就以“黑暗森林”法則對費米悖論進行了一種可能的解釋。大意為：宇宙中誕生的文明，由於相互之間距離極其遙遠，使得文明之間的溝通非常困難；且各星球上誕生的文明，其思維方式、價值觀、甚至基本邏輯思維方式和基本生命構成都有着巨大的差距。正是由於各文明之間基於上述原因而形成的猜疑鏈以及各自在技術水平上發展的不均衡性，一旦被外星文明獲知自己的存在，就很可能給自身的生存帶來威脅。其結果必然導致：具有一定成熟度和技術水平的文明，都會意識到宇宙的黑暗森林法則，因此都不會主動暴露自身的存在，以此解釋了費米悖論“外星人在哪裏？”的問題。“宇宙形如黑暗森林，各個文明形如黑暗森林中帶槍的獵人”。按照“黑暗森林”理論，成熟的文明都擁有“藏好自己，做好清理”的本能，所以他們不會貿然出現，更不會暴露自己的位置。 ^[13]