來源：中科院高能所，ID：casihep

EP3 大過濾器理論|超越費米悖論

費米悖論來源于恩里科·費米在基于宇宙漫長年齡和龐大的星體數(shù)量的基本假設，經(jīng)過一系列的計算后發(fā)現(xiàn)——地外文明存在性的過高估計與缺少地外文明存在的相關證據(jù)相矛盾，于是在1950年夏天的某個午餐的閑談中提出了'外星人它們都在哪里?'的著名問題。

簡單來說，費米悖論指的是外星智慧生命(Extraterrestrial Intelligence, ETI)存在的高概率估計和明顯缺乏證據(jù)。直到70年后的今天，我們?nèi)匀粵]有辦法回答這個問題。為解釋ETI在宇宙中出現(xiàn)'大沉默(Great Silence)'的跡象，有不計其數(shù)的假說持續(xù)地涌現(xiàn)出來。其中一個流行的觀點是必須要有一個'大過濾器(Great Filter)'來阻止生命進入發(fā)展的高級階段。

大過濾器理論的起源

'大過濾器(Great Filter)'一詞是由經(jīng)濟學家兼牛津大學未來人類研究所(Future of Humanity Institute, FHI)副研究員的羅賓·漢森(Robin Hanson)創(chuàng)造的。在1996年漢森發(fā)表了一篇題為《大過濾器——我們快通過這個大過濾器了嗎?》(The Great Filter – Are We Almost Past It?)的論文。在論文中，他提出必須有某種類似'過濾器'的東西橫亙在有機物向簡單生命過渡階段上，或者是阻止宇宙中欠發(fā)達的文明在卡達謝夫文明尺度(Kardashev Scale)上達到較高的發(fā)展水平。

漢森認為這種存在大過濾器可能性對人類來說不是好兆頭。他總結了自己的觀點：

'人類似乎有一個光明的未來。對外星文明也是如此，它們理應有機會向整個宇宙殖民，以維持文明持久的生命力。但事實上，我們地球周圍的太空似乎已經(jīng)沒有了生命的跡象——而任何毀滅了的文明可能曾經(jīng)有通過星際擴張以維持文明的未來，但它們失敗了。因此對于未來出現(xiàn)的毀滅和存續(xù)的兩種結局，應該存在著一個巨大的'過濾器'將宇宙間的文明都過濾到滅亡的結局。這也是人類面臨著一個不可回避的問題：我們離這個過濾器究竟還有多遠?

同樣隸屬于FHI研究所的尼克·博斯特羅姆(Nick Bostrom)在2008年撰寫的一篇短文《外星生命都在哪里?為什么我希望搜尋外星智慧生命一無所獲》(Where Are They? Why I Hope the Search for Extraterrestrial Intelligence Finds Nothing)

'可以把'大過濾器'比作成由一個或多個發(fā)生概率微乎其微的進化步驟組成的概率屏障。而這些極小概率的進化步驟必須發(fā)生才能使類地行星孕育出智慧文明，就像地球孕育了人類文明一樣。而且用我們目前的觀測技術應該可以在宇宙中看到這種和我們從發(fā)展程度類似的文明。'

你一定會對德雷克公式著迷的！

當費米在1950年提出他的著名問題后，科學家們已經(jīng)可以在假設宇宙中充足的外星生命有前提下開展研究工作。考慮到宇宙驚人的年齡與龐大的星體數(shù)量，出現(xiàn)其他的文明這不足為奇——宇宙的直徑為930億光年(這只是“可觀察”的部分)并且已經(jīng)存在了約138億年，宇宙中還估計有2萬億個星系！與此同時，銀河系直徑大約在170,000到200,000光年之間，包含著2000億到4000億顆恒星。即使我們假設只有1%的恒星有行星，1%的行星可以維持生命，1%的行星產(chǎn)生了智慧生命，1%的智慧生命發(fā)展出了先進的文明，這仍然意味著可能有2000個文明存在于銀河系內(nèi)!

大約十年后，美國天文學家兼SETI研究人員的弗蘭克·德雷克博士(Dr. Frank Drake)正式提出了上述估算的方程式。1961年，在綠岸天文臺(Green Bank facility)的一次會議上，一些科學家討論了如何使用射電望遠鏡來尋找那些似乎是ETI發(fā)出的射電信號源。在為這次會議討論做準備時，德雷克用一個方程總結了SETI研究人員的研究成果。這個方程之后被稱為德雷克方程，如下式所示：

其中是我們銀河系中可以交流的文明的數(shù)量，是恒星形成的平均速率，是有行星的恒星的比例，是能夠維持生命的行星的數(shù)量，是將發(fā)展生命的數(shù)量，是將發(fā)展智慧生命的數(shù)量，是技術先進的文明的數(shù)量，是這些文明將信號傳輸?shù)教盏某掷m(xù)時間。

德雷克博士后來會議如何這個方程式的時候說：

地外文明的規(guī)模

'卡達謝夫文明尺度(Kardashev Scale)'的名字來源于俄羅斯(前蘇聯(lián))天體物理學家尼古拉·卡達謝夫(Nikolai Kardashev)，他提出ETI可以根據(jù)其所能利用的能量的多少進行分類。他在1964年的一篇《地外文明傳遞信息》(Transmission of Information by Extraterrestrial Civilizations)的論文中提出了一個分類方式——'卡達謝夫文明尺度'，包括以下內(nèi)容：

• I型文明(行星文明)是指那些能夠使用和儲存其行星上所有可用能量的文明()
• II型文明(恒星文明)是那些能夠使用和控制其整個恒星系統(tǒng)的能量的文明()
• III型文明(星系文明)是指那些能夠控制整個星系能量的文明()

在1973年出版的《宇宙聯(lián)系：地外視角》(The Cosmic Connection: An Extraterrestrial Perspective)一書中，著名的天文學家兼科普大師的卡爾·薩根寫到，由于人類還沒有達到I型發(fā)展水平，因此應該有一個0型發(fā)展水平。正如薩根所說：

'I型文明能夠為通訊目的聚集相當于地球目前全部輸出功率的能量，這些能量應被廣泛應用于供暖、供電、交通等；除了與地外文明的通訊之外，還有許多其他使用目的。根據(jù)這個I型文明的定義，人類還達不到I型文明的標準……我們現(xiàn)在的文明應大約被歸類在0.7型的文明。'

根據(jù)這些描述，可以通過尋找技術活動的跡象'技術簽名(Technsignatures)'來尋找和判斷符合這些類型的ETI。

I型文明不僅會發(fā)展到占據(jù)其行星的整個表面區(qū)域，而且會向近地軌道(Low Earth Orbit, LEO)上移民。居住的行星也將出現(xiàn)明顯的變化，表面會形成由衛(wèi)星構成的云團(也就是常說的克拉克帶, Clarke Belt)，并且云團會反射恒星的光芒。如果想搜索這種I型文明的ETI，可以通過光學觀測尋找這種具有克拉克帶的行星。

而II型文明能夠利用其恒星產(chǎn)生的所有能量，同時使該文明可居住空間的數(shù)量成倍增加。第二類將有能力在恒星周圍建造一個巨型結構。這些文明將有能力建立弗里曼·戴森(Freeman Dyson)在1960年描述的巨型結構(后來被稱為'戴森球', Dyson Sphere)。與此同時，巨型結構將恒星的輻射利用起來并再輻射出去，這會讓恒星的光譜不符合常規(guī)恒星的輻射光譜。如果我們在類太陽恒星的搜索中發(fā)現(xiàn)了這種發(fā)射非常規(guī)的光譜的恒星，這個恒星系統(tǒng)則很大可能存在著ETI。

III型文明則更難描述。但幾乎所有學派的學者都認同：一個足夠先進的ETI，可以在其整個星系周圍或在其星系核心區(qū)域周圍建造巨型結構，以利用位于星系中心超大質(zhì)量黑洞(Supermassive Black Hole, SMBH)的能量。平心而論，一個能夠利用整個星系能量的文明是不可能不被注意到的。

那這個大過濾器設置在哪里呢?

在漢森的文章中，他認為'過濾器'必須介于生命出現(xiàn)在行星的階段到成為星際文明階段之間。漢森以地球上的生命和人類的出現(xiàn)為模板，概述了生命要成為太空文明需要經(jīng)歷的九個過程。其中包括：

1. 合適的恒星系統(tǒng)(該系統(tǒng)中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(原核)單細胞生命；
4. 復雜(真核)單細胞生命；
5. 有性生殖；
6. 多細胞生命；
7. 出現(xiàn)腦容量較大、會使用工具的動物；
8. 我們目前這個階段；
9. 星際殖民擴張。

根據(jù)大過濾假設，這些步驟中至少有一個是不可能的。要么生命在早期就很難從無機材料中脫穎而出(將大過濾器設置在第二階段)，要么隨著一個物種進化到高級階段，災難性失敗的幾率越來越大(將大過濾器設置在第八第九階段)。這兩種可能性中的任何一種都會對人類產(chǎn)生重大影響。

如果這個'過濾器'還處于早期階段，那么復雜生命形式(包括人類)的存在是很罕見的。我們僅僅是存在在地球這里就意味著我們已經(jīng)跨過了'過濾器'。反過來想，如果'過濾器'被設置在稍后的步驟中，那么許多ETI肯定已經(jīng)達到我們當前的發(fā)展水平，但是沒有取得進一步的進展。這意味著滅絕的可能性就在我們面前。出于這個原因，有許多人認為發(fā)現(xiàn)ETI并不值得慶祝反而要開始擔憂，就像尼克·博斯特羅姆總結的那樣：

'你從幾十億個生命的潛在萌芽點開始，最終我們沒有觀測到ETI。因此大過濾器必須足夠強大——關鍵的步驟必須是不可能發(fā)生的——即使你將進化的骰子拋了幾十億次，最終我們還是一無所獲——沒有外星人，沒有外星航天器，沒有外星信號，至少我們沒有在地球周圍發(fā)現(xiàn)。'

我們不得不承認，銀河系中還沒有一種文明達到了第九階段。否則ETI存在的證據(jù)將無處不在，也就是說智慧物種完全有可能無法從第八階段發(fā)展到第九階段(即第一類文明到第二類文明)。

可能的解釋

最后我想說的是，大過濾器和費米悖論是不可分割的，別試圖只解釋一個而忽略另一個。例如在漢森提出的那九個階段中，將過濾放在早期階段會得出一個結論：人類之所以沒有發(fā)現(xiàn)在宇宙中智慧生命體存在的證據(jù)，是因為它不存在，早在非常低等的情況下已經(jīng)被淘汰了——這正是哈特-蒂普勒猜想的基礎。

另一方面，如果智慧生命體確實存在，但其發(fā)展的條件卻很罕見，那么我們還沒有找到任何智慧生命體存在證據(jù)幾乎是必然的結果。這就是'稀有地球假說(Rare Earth Hypothesis)'假說的邏輯，這是對費米悖論一種可能的解釋。

或者如前所述，智能生命的天性就會因為發(fā)展科學技術而自我毀滅，可能是核戰(zhàn)爭、氣候變化、人工智能發(fā)展或其他手段的結果。正如薩根和什克洛夫斯基在1966年的《探索地外智慧》(The Quest for Extraterrestrial Intelligence)一書中所總結的那樣：

'我們試圖推斷得出宇宙中最多只有幾個先進的地外文明的結論——要么是因為我們是最早出現(xiàn)的技術文明之一，或者在智慧文明它們走得更遠之前已經(jīng)因為科技反噬而自我毀滅——因為這可能是所有發(fā)達文明的命運。'

目前我們面臨的許多棘手生存威脅：核戰(zhàn)爭、生物武器、能源枯竭等等——參考人類文明的發(fā)展史，那些和我們同樣發(fā)達的ETI也會面臨這些問題。當然還有許多其他的猜想，比如ETI并非不存在或滅亡了，而是選擇了休眠到宇宙冷卻為止的'夏眠假說(Aestivation Hypothesis)'；還有一種理論認為ETI在避免與地球人接觸，這樣它們就不會干擾我們的進化，或者是為了保護ETI它們自己不被侵略的'動物園假說(Zoo Hypothesis)'；甚至有人認為人類是被ETI故意孤立的起來，從而它們可以更好地研究我們?nèi)祟愒诘厍蛏涎莼^程的'天文館假說(Planetarium Hypothesis)'等等…

當然這些理論——就像費米悖論本身一樣——在找到ETI存在的證據(jù)之前是無法解決的。正如著名科學家兼科幻小說作者阿瑟·克拉克(Arthur C.Clarke)所說：

'存在兩種可能性：要么我們在宇宙中是孤獨的，要么我們不是。兩者都同樣可怕。'

我們會在第四輯《稀有地球假說|超越費米悖論》中介紹稀有地球假說(Rare Earth Hypothesis)。它決絕地否認了哥白尼的平庸原理(Mediocrity Principle)，重新把地球視為一個特殊的星球——這個地球上生存的人類在宇宙間是幸運的，也是孤獨的。這是《超越費米悖論》專欄中出現(xiàn)的第1種解釋，請各位讀者繼續(xù)關注這個翻譯專欄，再次感謝大家的閱讀。