哦，我亲爱的老伙计，我们可能有大麻烦了......
EP3 大过滤器理论|超越费米悖论
费米悖论来源于恩里科·费米在基于宇宙漫长年龄和庞大的星体数量的基本假设，经过一系列的计算后发现——地外文明存在性的过高估计与缺少地外文明存在的相关证据相矛盾，于是在1950年夏天的某个午餐的闲谈中提出了"外星人它们都在哪里?"的著名问题。
简单来说，费米悖论指的是外星智慧生命(Extraterrestrial Intelligence, ETI)存在的高概率估计和明显缺乏证据。直到70年后的今天，我们仍然没有办法回答这个问题。为解释ETI在宇宙中出现"大沉默(Great Silence)"的迹象，有不计其数的假说持续地涌现出来。其中一个流行的观点是必须要有一个"大过滤器(Great Filter)"来阻止生命进入发展的高级阶段。
大过滤器理论的起源
"大过滤器(Great Filter)"一词是由经济学家兼牛津大学未来人类研究所(Future of Humanity Institute, FHI)副研究员的罗宾·汉森(Robin Hanson)创造的。在1996年汉森发表了一篇题为《大过滤器——我们快通过这个大过滤器了吗?》(The Great Filter – Are We Almost Past It?)的论文。在论文中，他提出必须有某种类似"过滤器"的东西横亘在有机物向简单生命过渡阶段上，或者是阻止宇宙中欠发达的文明在卡达谢夫文明尺度(Kardashev Scale)上达到较高的发展水平。
汉森认为这种存在大过滤器可能性对人类来说不是好兆头。他总结了自己的观点：
"人类似乎有一个光明的未来。对外星文明也是如此，它们理应有机会向整个宇宙殖民，以维持文明持久的生命力。但事实上，我们地球周围的太空似乎已经没有了生命的迹象——而任何毁灭了的文明可能曾经有通过星际扩张以维持文明的未来，但它们失败了。因此对于未来出现的毁灭和存续的两种结局，应该存在着一个巨大的"过滤器"将宇宙间的文明都过滤到灭亡的结局。这也是人类面临着一个不可回避的问题：我们离这个过滤器究竟还有多远?
同样隶属于FHI研究所的尼克·博斯特罗姆(Nick Bostrom)在2008年撰写的一篇短文《外星生命都在哪里?为什么我希望搜寻外星智慧生命一无所获》(Where Are They? Why I Hope the Search for Extraterrestrial Intelligence Finds Nothing)
"可以把'大过滤器'比作成由一个或多个发生概率微乎其微的进化步骤组成的概率屏障。而这些极小概率的进化步骤必须发生才能使类地行星孕育出智慧文明，就像地球孕育了人类文明一样。而且用我们目前的观测技术应该可以在宇宙中看到这种和我们从发展程度类似的文明。"
你一定会对德雷克公式着迷的！
当费米在1950年提出他的著名问题后，科学家们已经可以在假设宇宙中充足的外星生命有前提下开展研究工作。考虑到宇宙惊人的年龄与庞大的星体数量，出现其他的文明这不足为奇——宇宙的直径为930亿光年(这只是“可观察”的部分)并且已经存在了约138亿年，宇宙中还估计有2万亿个星系！与此同时，银河系直径大约在170,000到200,000光年之间，包含着2000亿到4000亿颗恒星。即使我们假设只有1%的恒星有行星，1%的行星可以维持生命，1%的行星产生了智慧生命，1%的智慧生命发展出了先进的文明，这仍然意味着可能有2000个文明存在于银河系内!
图1.弗兰克·德雷克在白板上写下他著名的方程式.(图片来源: SETI.org)
大约十年后，美国天文学家兼SETI研究人员的弗兰克·德雷克博士(Dr. Frank Drake)正式提出了上述估算的方程式。1961年，在绿岸天文台(Green Bank facility)的一次会议上，一些科学家讨论了如何使用射电望远镜来寻找那些似乎是ETI发出的射电信号源。在为这次会议讨论做准备时，德雷克用一个方程总结了SETI研究人员的研究成果。这个方程之后被称为德雷克方程，如下式所示：
其中是我们银河系中可以交流的文明的数量，是恒星形成的平均速率，是有行星的恒星的比例，是能够维持生命的行星的数量，是将发展生命的数量，是将发展智慧生命的数量，是技术先进的文明的数量，是这些文明将信号传输到太空的持续时间。
图2.德雷克方程, 在银河系中发现生命或发达文明的概率的数学公式.可以简单的认为是银河系中宜居行星的数目乘以宜居行星上出现发展出发达文明的似然函数(图片来源: University of Rochester)
德雷克博士后来会议如何这个方程式的时候说：
"在我提前几天为会议做准备的时候，意识到我们需要一个议程。所以我写下了所有需要推算外星文明需要了解的内容，把所有的因素都考虑进去，就会得到一个描述我们银河系中可探测的文明的数量。这是为了使用无线电搜索那些有高等文明的外星生命发出的信号，而不是为了寻找初等的或原始的生命形式。"
地外文明的规模
"卡达谢夫文明尺度(Kardashev Scale)"的名字来源于俄罗斯(前苏联)天体物理学家尼古拉·卡达谢夫(Nikolai Kardashev)，他提出ETI可以根据其所能利用的能量的多少进行分类。他在1964年的一篇《地外文明传递信息》(Transmission of Information by Extraterrestrial Civilizations)的论文中提出了一个分类方式——"卡达谢夫文明尺度"，包括以下内容：
I型文明(行星文明)是指那些能够使用和储存其行星上所有可用能量的文明() II型文明(恒星文明)是那些能够使用和控制其整个恒星系统的能量的文明() III型文明(星系文明)是指那些能够控制整个星系能量的文明()
视频1.什么是戴森球?(视频来源:Universe Today)
在1973年出版的《宇宙联系：地外视角》(The Cosmic Connection: An Extraterrestrial Perspective)一书中，著名的天文学家兼科普大师的卡尔·萨根写到，由于人类还没有达到I型发展水平，因此应该有一个0型发展水平。正如萨根所说：
"I型文明能够为通讯目的聚集相当于地球目前全部输出功率的能量，这些能量应被广泛应用于供暖、供电、交通等；除了与地外文明的通讯之外，还有许多其他使用目的。根据这个I型文明的定义，人类还达不到I型文明的标准……我们现在的文明应大约被归类在0.7型的文明。"
根据这些描述，可以通过寻找技术活动的迹象"技术签名(Technsignatures)"来寻找和判断符合这些类型的ETI。
I型文明不仅会发展到占据其行星的整个表面区域，而且会向近地轨道(Low Earth Orbit, LEO)上移民。居住的行星也将出现明显的变化，表面会形成由卫星构成的云团(也就是常说的克拉克带, Clarke Belt)，并且云团会反射恒星的光芒。如果想搜索这种I型文明的ETI，可以通过光学观测寻找这种具有克拉克带的行星。
而II型文明能够利用其恒星产生的所有能量，同时使该文明可居住空间的数量成倍增加。第二类将有能力在恒星周围建造一个巨型结构。这些文明将有能力建立弗里曼·戴森(Freeman Dyson)在1960年描述的巨型结构(后来被称为"戴森球", Dyson Sphere)。与此同时，巨型结构将恒星的辐射利用起来并再辐射出去，这会让恒星的光谱不符合常规恒星的辐射光谱。如果我们在类太阳恒星的搜索中发现了这种发射非常规的光谱的恒星，这个恒星系统则很大可能存在着ETI。
III型文明则更难描述。但几乎所有学派的学者都认同：一个足够先进的ETI，可以在其整个星系周围或在其星系核心区域周围建造巨型结构，以利用位于星系中心超大质量黑洞(Supermassive Black Hole, SMBH)的能量。平心而论，一个能够利用整个星系能量的文明是不可能不被注意到的。
图2."Wow!讯号"表示为"6EQUJ5".(图片来源: Big Ear Radio Observatory/NAAPO)
译者注："Wow!讯号"是一个非常典型又熟知的疑似外星信号。"Wow!讯号"是在1977年8月15日SETI利用由美国俄亥俄州立大学的大耳射电望远镜接收到的一种强窄带无线电信号。这一信号源似乎来自人马座附近，具有外星文明起源的预期特征。在1977年8月15日的几天后，天文学家杰里·艾曼(Jerry R. Ehman)在查阅记录的数据时发现了这个异常现象。其结果让他大吃一惊，并给他留下了非常深刻的印象。于是他在电脑打印件上圈出了阅读材料，同时也写下了这篇文章的标注了"Wow!"。整个信号的序列时间持续了72秒，不过可惜的是在这段时间里，只有大耳朵望远镜才能观察到它。尽管随后艾曼和其他人多次尝试，但后续仍然没有检测到它的信号。有许多关于该信号源的假设，包括自然和人为的信号辐射源。但这些假设都不能充分的解释这一结果。"Wow!讯号"仍然是有史以来检测到的外星无线电传输的最强候选信号.
那这个大过滤器设置在哪里呢?
在汉森的文章中，他认为"过滤器"必须介于生命出现在行星的阶段到成为星际文明阶段之间。汉森以地球上的生命和人类的出现为模板，概述了生命要成为太空文明需要经历的九个过程。其中包括：
合适的恒星系统(该系统中存在有机物以及可能宜居的行星)； 可自我复制的分子(比如RNA)； 简单(原核)单细胞生命； 复杂(真核)单细胞生命； 有性生殖； 多细胞生命； 出现脑容量较大、会使用工具的动物； 我们目前这个阶段； 星际殖民扩张。
根据大过滤假设，这些步骤中至少有一个是不可能的。要么生命在早期就很难从无机材料中脱颖而出(将大过滤器设置在第二阶段)，要么随着一个物种进化到高级阶段，灾难性失败的几率越来越大(将大过滤器设置在第八第九阶段)。这两种可能性中的任何一种都会对人类产生重大影响。
视频2.为什么发现了外星生命意味着我们的末日可能会出现在不久的将来？(视频来源:Kurzgesagt – In a Nutshell)
如果这个"过滤器"还处于早期阶段，那么复杂生命形式(包括人类)的存在是很罕见的。我们仅仅是存在在地球这里就意味着我们已经跨过了"过滤器"。反过来想，如果"过滤器"被设置在稍后的步骤中，那么许多ETI肯定已经达到我们当前的发展水平，但是没有取得进一步的进展。这意味着灭绝的可能性就在我们面前。出于这个原因，有许多人认为发现ETI并不值得庆祝反而要开始担忧，就像尼克·博斯特罗姆总结的那样：
"你从几十亿个生命的潜在萌芽点开始，最终我们没有观测到ETI。因此大过滤器必须足够强大——关键的步骤必须是不可能发生的——即使你将进化的骰子抛了几十亿次，最终我们还是一无所获——没有外星人，没有外星航天器，没有外星信号，至少我们没有在地球周围发现。"
我们不得不承认，银河系中还没有一种文明达到了第九阶段。否则ETI存在的证据将无处不在，也就是说智慧物种完全有可能无法从第八阶段发展到第九阶段(即第一类文明到第二类文明)。
视频3.关于费米悖论的争论.(视频来源: Event Horizon)
可能的解释
最后我想说的是，大过滤器和费米悖论是不可分割的，别试图只解释一个而忽略另一个。例如在汉森提出的那九个阶段中，将过滤放在早期阶段会得出一个结论：人类之所以没有发现在宇宙中智慧生命体存在的证据，是因为它不存在，早在非常低等的情况下已经被淘汰了——这正是哈特-蒂普勒猜想的基础。
另一方面，如果智慧生命体确实存在，但其发展的条件却很罕见，那么我们还没有找到任何智慧生命体存在证据几乎是必然的结果。这就是"稀有地球假说(Rare Earth Hypothesis)"假说的逻辑，这是对费米悖论一种可能的解释。
或者如前所述，智能生命的天性就会因为发展科学技术而自我毁灭，可能是核战争、气候变化、人工智能发展或其他手段的结果。正如萨根和什克洛夫斯基在1966年的《探索地外智慧》(The Quest for Extraterrestrial Intelligence)一书中所总结的那样：
"我们试图推断得出宇宙中最多只有几个先进的地外文明的结论——要么是因为我们是最早出现的技术文明之一，或者在智慧文明它们走得更远之前已经因为科技反噬而自我毁灭——因为这可能是所有发达文明的命运。"
目前我们面临的许多棘手生存威胁：核战争、生物武器、能源枯竭等等——参考人类文明的发展史，那些和我们同样发达的ETI也会面临这些问题。当然还有许多其他的猜想，比如ETI并非不存在或灭亡了，而是选择了休眠到宇宙冷却为止的"夏眠假说(Aestivation Hypothesis)"；还有一种理论认为ETI在避免与地球人接触，这样它们就不会干扰我们的进化，或者是为了保护ETI它们自己不被侵略的"动物园假说(Zoo Hypothesis)"；甚至有人认为人类是被ETI故意孤立的起来，从而它们可以更好地研究我们人类在地球上演化过程的"天文馆假说(Planetarium Hypothesis)"等等…
当然这些理论——就像费米悖论本身一样——在找到ETI存在的证据之前是无法解决的。正如著名科学家兼科幻小说作者阿瑟·克拉克(Arthur C.Clarke)所说：
"存在两种可能性：要么我们在宇宙中是孤独的，要么我们不是。两者都同样可怕。"
我们会在第四辑《稀有地球假说|超越费米悖论》中介绍稀有地球假说(Rare Earth Hypothesis)。它决绝地否认了哥白尼的平庸原理(Mediocrity Principle)，重新把地球视为一个特殊的星球——这个地球上生存的人类在宇宙间是幸运的，也是孤独的。这是《超越费米悖论》专栏中出现的第1种解释，请各位读者继续关注这个翻译专栏，再次感谢大家的阅读。