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短暂窗口假说|超越费米悖论
1950年,意大利裔美国物理学家恩里科·费米与他的一些同事在洛斯阿拉莫斯国家实验室共进午餐,因为曼哈顿计划他在那里工作了五年.根据各种说法,当话题转向外星人和最近接二连三报道的不明飞行物.费米抛出了一个将载入史册的问题:"外星人它们都在哪里?"
费米悖论指的是外星智慧(extraterrestrial intelligence, ETI)存在的高概率估计和明显缺乏证据.70年后,我们仍然没有办法回答这个问题,我们为费米悖论提出了多种可能的解释.自从费米时代以来,已经有好几个关于他的问题的解决方案被提出,其中包括文明在灭绝之前只有一个与宇宙沟通的"短暂窗口"的可能性.
虽然短暂窗口假说承认宇宙实际上可能充满了生命,但时间和空间施加了巨大的限制,使得智慧物种很难相互交流.简而言之,文明之间的距离非常遥远可能意味着当一个文明发展到可以向太空广播信号的程度时,它将在得到其他文明的答复之前灭绝.
对短暂窗口假说的简短介绍
短暂窗口假说里的关键参数是在第三辑中介绍的德雷克方程(The Drake Equation)中的最后一个参数,它代表着文明向太空传输信号的时间窗口的长度.在短暂窗口假说的条件下,时间窗口它可以被定义为一个文明因为灭绝级事件而摧毁之前预期存在的时间.这个文明可能因为自然灾害(例如:小行星撞击地球)的而走向终结,也可能以自我毁灭的形式(例如:核战争或生化危机)迎来它们的末日.以我们人类自己为例,这些存在的威胁似乎都是可能的.
在经典的德雷克方程中,被定义为一个文明发展出必要的能与宇宙中其他文明沟通的技术(例如:无线电通信)和传输信号所需的时间长度,而简短窗口假说也考虑了获得宇宙间其他文明回复所需的时间.一个现代文明在灾难性的命运面前还能存在多久?难道这就是"大沉默"的原因吗?
那短暂窗口可以毫无违和地嵌入大过滤器理论吗?在第三辑中我们对大过滤器理论进行了介绍:根据汉森的假设,他所提出的9个过程中至少有一个在统计学上是不可能的.要么生命在早期就很难从无机分子中脱颖而出,随着一个文明往更先进的方向发展,那么发生灾难性覆灭的几率越来越大.
短暂窗口假说正是将这个"过滤器"放置于第8步(我们目前所处的这个工业时代阶段)和第9步之间(未来的星际殖民扩张阶段),这个假设同时也反映了人类当前的发展水平.
图1.坐落于智利查南托高原的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列(Atacama Large Millimeter Array - ALMA Radio Telescope),海拔16000英尺(5000m)(图片来源: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/W. Garnier (ALMA))
短暂窗口假说的起源
德国天体物理学家和射电天文学家塞巴斯蒂安·冯·霍纳(Sebastian von Hoerner)是这一假说最早的学者之一,他是弗兰克·德雷克的同事.他也参与了第一个SETI项目,奥兹玛(Ozma)项目.1961年,他写了一篇题为《寻找来自其他文明的信号》(The Search for Signals from Other Civilizations)的论文,他认为我们没有收到任何信号的原因可能是文明之间的距离过于遥远.
总之,他认为相对于与另一个智慧物种接触所需的时间,一个技术先进的文明的存在窗口可能太短从而我们得不到回应.他在论文中写道:
"科学和技术的发展虽然不是完全地,但是很大程度上是由于国家对霸权的争夺和人们对安逸生活的渴望推动的.我们不应低估这两个关键因素的作用,一旦达到技术条件成熟,这两个因素就可能终结一个文明.如果不及时控制,这两种驱动力都会导致文明覆灭——第一种会导致人类文明的彻底毁灭,第二种会导致人类生理或心理上出现退化.总之我们认为:与我们自己没有太大区别的文明在宇宙的许多角落都会出现,但它们兴盛的时间有限."
据冯·霍纳估计,一个文明的平均寿命是6500年,银河系中文明之间的平均距离是1000光年.虽然这些完全是推测,但它们提供了一个用于估算一个文明可以平静地生活和交流多久的简单框架.
考虑到冯·霍纳在撰写这项研究论文的时候正值冷战的鼎盛时期.而核毁灭一直是一把高悬在人类头顶上的达摩克里斯之剑.技术滥用和自我毁灭的主题在支持短暂窗口假说的人心里无疑是合理的.然而,随着人们对新的生存威胁的认识不断提高,近年来对于短暂窗口假说中的毁灭因素人们提出了一些新的想法,这些大多是围绕人口过剩和环境破坏去讨论的.
在人类世里的教训
我们仔细回想一下之前翻译的数个假说,那些试图解决费米悖论的假设本身都有一个隐藏的,共同的前提假设——即先进文明它将以指数级发展进步.相反的,有些研究人员提出了外星文明无法维持这种发展模式的假设,从而解释了为什么没有文明能够成功地在整个星系(或者是星系里的大部分地方)定居.
2009年,分别供职于Blue Marble太空科学研究所(Blue Marble Space Institute of Science)的Jacob D.Haqq Misra(雅各布·D·哈克米斯拉)和全球灾难风险研究所(Global Catastrophic Risk Institute)的Seth D.Baum(塞思·D·鲍姆)在一项题为《费米悖论的可持续性解决方案》(The Sustainability Solution to the Fermi Paradox)的研究中论证了这一点.他们大胆地提出,"没有外星文明可以以指数增长或其他更快方式的增长,因为这很可能不是智慧文明的可持续发展模式."哈克米斯拉和鲍姆两人利用从人类历史中吸取的教训说明了:指数级增长和扩张是文明的一个共同特征,但往往对他们不利.
人类活动已经对整个地球产生了深刻影响,我们的世界是否已经进入了一个新的地质学时期"人类世(Anthropocene)"尚无定论.但在当下这个时代,由于人类对地球的影响,人类活动是气候变化唯一的也是最大的决定性因素.当我们以人类的历史作为镜子,思考外星文明的发展进程的时候,外星人如果选择了与人类选择相似的发展政策可能就是目前为止我们没有发现外星人的原因.正如他们所说:
"费米悖论最终会涉及到文明的空间上的扩张,但空间扩张与人口扩张、环境影响和资源消耗密切相关.例如,移徙往往是由资源短缺造成的,而资源短缺又可能是人口众多和/或环境退化造成的.同样,向无人居住地区迁移也会导致迁出地的资源过剩,进而推动人口增长.最后,广义的扩张主义政策会导致空间、人口、环境影响和资源消耗的进一步增长."
另一个例子来自天体物理学家亚当·弗兰克教授(Prof.Adam Frank)在2018年出版的一本名为《星光:外星世界与地球命运》(Light of the Stars: Alien Worlds and the Fate of the Earth)的书.这项工作还借鉴了2018年的一项研究,题为《广义的人类世:外星文明的演化及其行星反馈》(The Anthropocene Generalized: Evolution of Exo-Civilizations and Their Planetary),他与供职于罗切斯特大学(the University of Rochester)、华盛顿大学(the University of Washington)和马克斯·普朗克生物地球化学研究所(the Max Planck Institute for Biogeochemistry)的同事们共同进行了这项研究.
在这两本书里面,弗兰克都认为人类世可以为解决费米悖论提出建设性意见.因为外星文明的命运可能与人类的命运很相似,外星人与它们居住的行星之间的动态关系可能让其环境系统对文明的活动进行反馈.弗兰克在引用德雷克方程的时候强调道:
"地球不是独一无二的.即使星际中低级文明发展出具备和宇宙通讯的概率低至,在整个人类可观测的宇宙的历史上,像我们这样的技术文明的数量仍然足够多的(统计平均下来大约1000左右)存在于我们可搜索的宇宙里.这些我们在统计平均中考虑的文明应该具有的属性包括了技术文明的平均寿命.不难发现这正是德雷克方程中的最后一个因素.在关于外星文明是否存在的辩论中,对这个窗口长度耗费了我们非常多的时间去讨论,这也说明了文明的可持续性问题是多么的重要."
简言之,可持续性问题只是对短暂窗口假说中的一个基本假设的怀疑与批评而已.而其他研究则认为时间窗口本身可能是距离的函数——向宇宙发出信号的文明不太可能长久存续以听到对其他文明对信号的回应.
克劳迪奥·格里马尔迪(Claudio Grimaldi)和包括弗兰克·德雷克博士在内的一组科学家在2018年的一项题为《星系中不断扩大的外星文明信号的区域覆盖范围:SETI计划和德雷克方程里的参数》(Area Coverage of Expanding E.T. Signals in the Galaxy: SETI and Drake’s N)的研究中提出了这一论点.在这项研究中,该团队对德雷克方程做出了两个关键假设:
外星文明以恒定速率出现在我们的星系中; 在它们灭绝之前,它们只能发送一定时间长度的信号.
在这些文明消亡很久之后,这些无线电广播(假设文明之间是以无线电信号形式交流的)将继续以光速向外传播.这些无线电信号将形成一个球壳样的结构(一个甜甜圈形状的波前),如果我们地球处于球壳中就可以检测到无线电信号.每个球壳的壁厚(以光年为单位)将与文明在沉默之前向太空广播无线电信号的时间相对应,就像图2所示那样.
在模拟了这些射电信号的锋面如何传播之后,研究人员发现根据辐射壳层厚度是比银河系的大小(直径约10万光年)薄还是厚,出现了两种情况.考虑临界情况,如果刚好先进文明的假定寿命()等于发出的信号穿越整个银河系所需的时间,约年(10万光年除以光速).
图2.银河系以及六个假想的外星文明发射形成了充满无线电信号球壳的示意图.(图片来源:Claudio Grimaldi/EPFL)
在第一种假设下,无线电壳层厚度小于银河系尺度.每个辐射球壳都会比我们星系要小,而且只会填满它的一小部分,从而减少SETI计划被发现的机会.但他们发现:根据文明出现的频率出现变化,这些光环可能会让我们的星系充满信号,甚至重叠.
在第二种假设下,无线电壳层的厚度将超过银河系尺度.在这个时候,我们是否探测能探测到外星文明的信号将取决于外星的先进文明它们进行宇宙广播的数量.
最后,格里马尔迪、德雷克和他们的同事发现在这两种情况下到达地球的无线电信号的数量大致相同.
然而,假设文明的寿命不到10万年,他们确定"到达地球的信息可能来自早已灭绝的遥远文明,而仍然活着的文明正在发出尚未到达的信号."换句话说,当人类收到来自先进文明的无线电信息时,那个文明可能早就灭亡了.如果把这个结论套在我们人类身上,这意味着当一个智慧文明听到阿雷西博信息(关于阿雷西博信息的详情,请参考第一辑)或任何其他信息外星智能发出的信号的时候,我们人类早已灭亡.
视频1.NASA估算的美国的气候变化直到2100年(视频来源:NASA Goddard)
对短暂窗口假说的批判
当然,企图解决费米悖论的假说很容易因为自身一些不切实际的假设而受到批评.以人类自身为参考提出了大量的猜测,并且随着科技的发展和我们对这个问题思考的深入又有很多新的有趣的想法冒出来.不幸的是,这些假说没有一个是可以检验或证伪的.
图3.国际射电天文学研究中心(ICRAC)下属的西澳大利亚无线电天文望远镜默奇森宽场阵列(Murchison Widefield Array radio telescope, WMA)上方天空的"彩色的无线电信号"视图.图片来源:娜塔莎·赫尔利·沃克(Natasha Hurley-Walker)(ICRAR/Curtin)和GLEAM团队拍摄的图片.(图片来源:ICRAR/Dr John Goldsmith/Celestial Visions)
我们不知道一个先进的文明还能存续多久.我们缺少外星文明出现和消失的例子,就不可能建立一个有意义的框架.从目前的情况来看,人类是我们所知的唯一的较为先进的文明.我们甚至不知道,在一场毁灭性的危机面前,人类文明是否还能存续下去——无论是核战争、气候变化还是自然灾害.
还有一种观点是:先进文明其实存在于宇宙的角落,只是我们现在还没有听到他们的声音.卡尔·萨根和威廉·纽曼在他们1981年的研究《银河文明:人口动态和星际扩散》(Galactic civilizations: Population dynamics and interstellar diffusion)中论证了这一点.然而,这一论点似乎又引发了新的问题:它本质上是一种基于人存原理的假说,它要求人类正好处于一个非常特殊的时期,宇宙中广布智慧文明,而恰好在人类发展出可以接收无线电信号的100年左右的时间里没有外星文明的无线电信号球壳扫过太阳系.这与哥白尼的平庸原理(mediocrity principle)相矛盾而遭到了很多批评.
对此,天体物理学家、美国宇航局研究员大卫·布林(David Brin)强调到:认为人类的发展发生在一个特殊的时间点的观点是愚蠢的.换句话说,当我们的星系正从拥有极少量的先进文明(或只有一个文明)过渡到数个文明同时存在的时候.考虑到我们银河系的漫长的寿命,我们所经历的更可能是一种典型而非特殊的情况.
尽管随着对费米悖论研究的深入,短暂窗口假说这一理论仍有一定程度的简洁感和合理性,这与奥卡姆剃刀(Ockham’s Razor)是相一致的.更重要的是,认为人类当前的问题是智慧生命都会在发展的道路上遇到的观点符合哥白尼的平庸原理.把"过滤器"放在第8步和第9步之间,这说明了文明指数级的增长和扩张和它对周围环境的影响限制了其自身的寿命.
图4.波多黎各的阿雷西博天文台,著名的阿雷西博信息(1974年11月16日向距离地球光年的球状星团M13发射的无线电信息)的发端地.(图片来源:NAIC/NSF)
顺着短暂窗口假说的逻辑思考下去也有助于人类面对将来的最大挑战——如何可持续地生活或面对生存环境和文明的崩溃——这会让我们有更加深刻的思考和理解.如果我们人类文明希望存续得足够长久,以收到其他文明的回信,那我们就需要确保人类不能在当下透支地球和我们的未来！
我们会在第十辑《长子假说|超越费米悖论》中介绍第8种解释.即人类可能是我们银河系中出现的第一种智慧生命.在宇宙中,我们人类恰好是这个宇宙孕育的一系列文明中的长子.短暂窗口假说是超越费米悖论系列中出现的第7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.