图文版：费米悖论——外星人存在吗？
去年，加拿大科学家观察到了宇宙中快速射电暴FRB的重复信号，有人说这是外星人发来的问候。一时间，有关外星人的话题再次变得炙手可热。
外星人存在吗？我们不妨来谈谈有关外星人的一个著名悖论：费米悖论。
1费米悖论
费米出生于意大利，他的夫人具有犹太血统。在二战之前为了躲避纳粹的迫害，二人逃到了美国，并加入美国国籍。
费米是二十世纪物理学界的扛把子之一。他提出的“费米-狄拉克统计”“中微子”“弱相互作用”等物理模型，都是上个世纪物理学的重要分支。费米在美国主持了制造原子弹的“曼哈顿计划”，与奥本海默并称为原子弹之父。他不仅自己获得了诺贝尔奖，学生中也有六人获得诺贝尔奖，其中就包括我们熟知的杨振宁和李政道。
在1950年的一天，费米和几位芝加哥大学的同事吃过午饭在一块儿闲聊，谈到了外星人的话题。费米突然问道：那么他们都在哪呢？其他几位教授突然意识到：这是一个很难回答的问题。后来，“外星人在哪”就被称为费米悖论。
所谓悖论，是一个命题通过某种合理的逻辑过程，得到自相矛盾的结果。为什么一个疑问句也可以称为悖论呢？
2外星人是存在的
费米特别擅长于通过简单的方法估算复杂的物理问题，这些问题被称为费米问题。在外星人问题上，费米又一次发挥了自己的专长：他估算了宇宙中大约有多少个超过人类的文明。
我们知道：可观测宇宙的直径大约有900亿光年。因为宇宙在膨胀，距离我们越远，宇宙膨胀的速度越快。超过900亿光年以外的宇宙，膨胀的速度超过了光速，我们没有办法获得关于那里的任何信息。
在这个广袤的宇宙中，分布着大约1000亿个像银河系一样的星系。每个星系中又有1000亿到10000亿颗恒星。有些恒星质量太大，寿命比较短；有些恒星质量太小，发光不稳定。要想孕育出生命，就需要与太阳质量差不多大的恒星。科学家估计这样的恒星数量在5%~20%之间。
在类太阳恒星周围，存在着许许多多的行星。有些行星距离恒星太近，温度太高，有些行星距离太阳太远，温度太低，这些行星都不具备生命产生的条件。只有那些类似于地球一样远近适中的行星才能产生像人类这样高度发达的文明。科学家们估计拥有这种行星的恒星数量大约占总体的20%-50%。
现在我们有个合适的恒星和行星，但是生命的产生过程本身也是十分复杂的。科学家在实验室中模拟原始地球的各种条件，也仅仅人工制造了氨基酸，还没有创造出哪怕是最原始的生命形态。但是，漫长的时间又是生命生成的有力武器。我们假设在这些适合生命存在的星球中，经过数十亿年的演化，仅有万分之一的星球发育出了高智慧生命。
综合以上数据，我们把类太阳恒星、类地球行星的数量都取下限1%，就可以得出宇宙中高智慧文明的数量。
为了上上述估计更加准确，美国国家射电天文台（绿岸天文台，即小说《三体》中红岸天文台的原型）的天文学家弗兰克德雷克提出了一个更加详细的公式，用以估算人类能够接触到的银河系内的高智慧文明数量，按照德雷克公式，人们计算出的应该能与地球接触的地外文明数量应该在数千到数万个之间。
也就是说，如果我们接受了上面的数据，宇宙中应该有数以万亿计的智慧生命。就算仅仅看银河系这宇宙中的沧海一粟，也应该有成千上万的智慧文明存在。人类并不孤单。
3外星人应该被发现
外星存在高度发达的文明，那么这些文明应该早就与人类有过接触了。为了解释这件事，我们首先介绍一种划分文明等级的方法：卡尔达肖夫指数。
前苏联天文学家尼古拉.卡尔达肖夫提出了一种区分文明等级的方法。他指出：文明的发展必须依赖能源，因此对能源的不同利用程度就标志着文明的不同等级。
第I型文明表示可以充分利用所在行星（如地球）的能源，功率大约为10^16W.
第II型文明表示可以充分利用所在恒星（如太阳）的能源，功率大约为10^26W.
第III型文明表示可以充分利用所在星系（如银河系）的能源，功率大约为10^36W.
目前，人类的卡尔达肖夫指数大约在0.7，也就是还没有达到第一级文明。日裔美国物理学家加来道雄认为：人类还需要大约100~200年才能达到I型文明，然后经过数千年达到II型文明，再经过数十万年才能达到III型文明。
不过，宇宙的年龄有138亿年，地球的年龄只有46亿年，也就是说，地球在宇宙中还是相对年轻的星球，有许多类地星球年龄比地球大。只要那些星球上的文明比地球人早几十万年，那么它们现在就可以达到III型文明了。
如果某种生命达到了高度发达的文明，那么它们必然会思考两个问题：如何为自己提供更多的能源？如何对宇宙进行探索。高发达的文明对能源的需求是巨大的，而为了防止因为宇宙中的灾难或者恒星能源消耗殆尽，它们必然会对宇宙进行探索和开发，寻找新的家园。一个高度发达的文明必然是在强烈好奇心的驱使下取得科技成就的，而广袤的宇宙正充满了无限的神秘。
数学物理学家弗里曼·戴森设想了一种利用恒星能源的方式：戴森球。
戴森设想：高度文明为了充分利用恒星能量，可以用一个布满太阳能板的球将恒星罩住。而且，这个球并不需要一步到位建设好，可以首先建设一个由许多小飞行器组成的戴森环，然后演变为戴森蜂群或戴森泡。
虽然戴森球的设想还有许多物理问题和工程问题需要解决，但这的确不失为一种充分利用太阳能的良好方法。戴森球吸收太阳能后可以为文明提供巨大的能量，同时温度升高，向外发射红外线，如果真的是这样，我们应该能探测到好多高度文明建设的戴森球，但事实是我们人类从未发现外星戴森球的痕迹。
宇宙浩瀚无垠，不过科学家也设想了一种探索宇宙的合理方式：冯诺依曼探测器。
我们知道：生命都具有自我复制的能力。生命可以从外界环境中获得能量和材料，组成自己或者自己的下一代。其实，机器也有自我复制的可能，例如计算机病毒就有自我复制的能力。
冯诺依曼探测器就是这样一种具有自我复制能力的机器。它们被发射到一个新的星球上，就会根据指令搜索这个星球，找到适当的材料，用以复制自己。然后吸收足够的能量后再发射到更多的星球上。科学家们估计，如果某个高度发达的文明制造出了一台冯诺依曼探测器，那么在几百万年的时间内探测器就会布满整个银河系，当然也包括地球。
然而实际上，我们至今为止没有发现任何类似冯诺依曼探测器的装置。
费米等科学家通过估算得到了外星文明应该存在的结论，并且通过合理的逻辑推演出外星人制造的戴森球、冯诺依曼探测器应该被人类发现，但实际上人类却没有发现任何外星人的痕迹，于是就产生了费米悖论。
4如何解释费米悖论
如何才能调和外星人应该存在和外星人没有被观测到的矛盾呢？在几十年的时间里，科学家们提出了上百种解释，目前没有一种解释能成为公认的答案，但却为各种科幻小说提供了不少素材。
我们可以把这些解释大概的分为三类，分别是地球稀有说、无法察觉说、人类隔离说。
地球稀有说是指：产生人类这样高度发达文明的条件是非常苛刻的，高度文明的数量远远低于我们之前的估计，如果人类不是第一个，也是第一批这样的高度文明。因为要形成生命，不仅仅需要距离恒星远近适当，还需要有大量的重原子、需要适当的质量产生合适的大气、需要一定的磁场来防御宇宙的离子风暴、需要原理小行星带减少彗星的撞击等等。地球是非常幸运的，它恰好满足所有的条件，所以才产生了生命。
还有一种地球稀有说是大过滤器理论。生命发展到一定阶段，就会面临灭绝的风险，称为过滤器，极少数的生命才能通过过滤器。宇宙中有成千上万的低等文明，通过第一个过滤器后数量就少得多，通过第二个过滤器后数量更少…
例如：从原核生物到真核生物可能就是一个过滤器，地球上的原核生物经过十几亿年的时间才变为真核生物。各种天灾也可能是过滤器，如彗星撞击、超新星喷发等。高等文明发达的科技也可能是一种大过滤器，人类制造的核武器，以及未来为开发太阳制造的先进设备，都可能造成人类的灭绝。假如对于宇宙中所有生命都存在过滤器，就不难理解为什么我们至今还没有发现超级文明了。所以，有科学家指出：在外星发现生命不是什么好事，这可能意味着人类还没有通过大过滤器，在未来人类可能面临灭顶之灾。
第二类解释“无法察觉”说认为：外星文明其实一直在我们周围，只是因为某些原因我们没有察觉到他们的存在。比如，有人认为外星文明其实一直在向外发射无线电信号，只是受到功率和能源的限制，这些无线电信号并不是无缝衔接的。人类探索宇宙的历史也不过几十年，有可能在这几十年中，地球刚好处于外星无线电信号的缝隙之中，所以我们没有探测到这些信号。或者，外星文明的通讯方式并不是电磁波，而是一种更加先进、我们无法理解的方式。还有人认为，外星人与人类存在过大的差异，造成人类无法感觉到外星生命的存在。举例来说：我们生活的世界遍地都充满了细菌，但是细菌由于体积大小和思维能力的限制，它们并不能理解人类的存在。人类就好像这些细菌，我们无法理解外星生命的形态。还有更夸张的说法认为，外星生命的生存维度与我们生活的三维空间不同，由于维度差异，我们也无法接触到外星人。
再有一种比较流行的无法察觉说就是著名的“黑森林”法则了。宇宙就像一个黑森林，每一个文明都好像一个拿着猎枪的猎人，他们都具有摧毁其他文明的能力。一旦一个文明向外发射电磁波信号，就好像猎人在黑森林里面燃起了一个火把，他的位置就会被曝光，其他文明为了自身的安全一定要先下手为强，摧毁这个暴露的文明。所以，所有文明都小心翼翼的隐藏自己的位置，尽量不把自己的信息暴露在其他文明面前。这也是小说《三体》中的故事背景。只有人类这种初级文明才会不停的向外发射无线电信号，希望找到外星人，同时把自己置于危险之中。比如1974年，阿雷西博望远镜向距离地球25,000光年的球状星团M13发送了一串二进制数字组成的信号，称为阿雷西博信息。如果信息被地外智慧生命所接收并正确解读，会得到如右图所示的信息，它们表示1-10数字、DNA结构、人的外形和太阳系的组成信息。
第三种解释叫做“人类隔离”说，有一丝阴谋论的味道。这种说法认为：外星人早就知道人类的存在，但是刻意将人类进行了隔离。比如，有一种叫做“动物园假说”的解释，认为外星人联合起来对人类进行观察，但是从不干扰人类的活动，人类就好像动物园里的动物一样自由自在的生活，却不知道自己不过是被人观察的对象罢了。更进一步的“天文馆假说”认为：人类存在于一个外星人造的天文馆中，人们感觉宇宙浩瀚无垠，也没有其他生命，这一切不过是外星人的设计罢了。
最夸张的“缸中大脑”假说认为人类早就被外星文明支配了，它们制造了一台巨大计算机，由一个戴森球供给能量，人们的意识就是这个超级计算机模拟出来的，世界和人类其实都是虚拟的，与电影《黑客帝国》描绘的情景类似。
除了以上这些典型说法，还有许许多多的其他解释。例如，有人认为在宇宙中存在着一个超级文明，它怀揣着终极武器观察着这个宇宙，一旦有一个文明发展到足以威胁自身的程度，它就会消灭这个新文明，从而保证自己的霸主地位。
虽然人类已经走过了漫长的历史，也有了许多科技成就，但是5000年的文明史相对于宇宙138亿年的年龄，不过是一瞬之间。就在500年前，我们还在争论地球究竟是不是平的，还在研究地球围绕太阳旋转还是太阳围绕地球旋转。在宇宙中，人类的发育依然处于胚胎阶段，还有许多未知的问题等待着我们去探索。
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