行星奇点：规模法则解释为何外星文明隐匿于“黑暗森林”

导语

为什么人类迟迟无法探测到地外文明？小说《三体》提出了“黑暗森林假说”，认为宇宙就像一座黑暗森林，每个文明都是带枪猎手，一旦某个文明被发现，必然遭到打击，因而文明会主动藏匿并警惕其他文明。最近一项研究结合规模理论（scaling law）提出了新假说：文明要么因为过度消耗而崩溃，要么因为重新引导自己优先考虑内稳态——即向宇宙扩张不再是目标。换言之，地外文明未必是刻意藏匿自身，而更可能是在快速发展中要么走向崩溃，要么变得越来越“宅”，甚至遁入虚拟世界。

研究领域：规模法则，奇点，内稳态，费米悖论

Michael L. Wong, Stuart Bartlett | 作者

郭瑞东 | 译者

梁金 | 审校

邓一雪 | 编辑

论文题目：

On the Trajectories of Planetary Civilizations: Asymptotic Burnout vs. Homeostatic Awakening

论文链接：

https://direct.mit.edu/isal/proceedings/isal/34/8/112266

摘要

以前的研究表明，城市指标与增长率、生产率和总体能源消耗规模之间的超线性规模法则，可归因于城市的社会性质。呈现超线性增长的特征，会导致称为“奇点”的危机，其最终结果是在有限的时间内，人口和能源需求趋于无限。人类必须更加频繁地、在越来越短的时间里通过创新和“重置”，来推迟系统的崩溃。

该研究把城市和科技文明的出现，放置在关键演化转变（major evolutionary transitions）的背景下。从这个角度来看，我们假设一旦一个行星文明转变到一个可以被描述为虚拟全球城市的阶段，它将面临“渐近耗竭”（asymptotic  burnout）的最终危机，这一危机的特征是奇点之间的时间尺度变得比创新的时间尺度小。

如果一个文明发展了理解自身轨迹的能力，它将有一个时间窗口影响基本的改变，得以在不限制增长的同时优先考虑长期内稳态和人类福祉——有意识地引导轨道转变或“内稳态觉醒”（homeostatic awakening）。

我们提出了费米悖论的一个新解决方案：文明要么因为过度消耗而崩溃，要么因为重新引导自己优先考虑内稳态——即使得向宇宙扩张不再是目标，从而使它们难以被远程探测到。

1. 超线性规模法则与奇点危机

生命的演化被描述为一系列选择单元、信息以及能量转换上的关键转变（例如 Szathmáry & Maynard-Smith1995; Judson 2017）。这些转变并不严格限于生物演化，也可以扩展到包含人类社会、文化和数据组（dataome）的演化上 (Scharf 2021)。

Bettencourt 等人 [1] 对创新的加速，特别是城市发展提供了一个定量描述。他们发现，城市的指标必须与经济增长、生产率和总体能源消耗同步增长，遵循幂律指数 β > 1 的规模法则[2]。（这区别于单纯的生物系统，其中 β < 1) ，并将其归因于城市的社会性质。β > 1 的系统将倾向于出现所谓的“奇点”危机，即人口和能源需求在有限的时间内趋向于无穷大。为了长期生存，必须通过“重置”避免这些奇点，重置对应于通过创新推迟系统的崩溃。只要奇点之间的时间尺度比创新之间的间隔更大，奇点就是可以避免的。然而，不可避免的奇点和必要重置的频率，会随着时间推移增加。

2. 文明耗竭

Scharf 将“数据组”（dataome）定义为，生命对生物体之外的信息记录和处理[3]，包括书籍、建筑、计算机等，以及在生物有机体集合之上的信息有机体的共同演化。由于数据组和人类生物群（human biome）深刻地交织在一起，使得我们有可能正处于另一个信息相变（informational phase transition）过程中: 这个转变将推动文明到达一种状态，在城市中物理上共处同一位置不再是人际交往的主要限制。因为正是由于人类的相互作用产生了 β>1 的城市规模法则。

如果文明过渡到一个可以说是几乎互通互联的全球化城市，这样的组织结构很可能和城市属于相同的普适性类（universality class）。换句话说，我们推测，一个技术连接的文明的生产力、增长、资源消耗将同样遵循幂律指数 β>1 的规模法则（Wong & Bartlett 2022）。

随着人工智能技术的进步，也有可能人与人之间互动的重要性会低于人与技术的互动，并最终低于技术与技术之间的互动。尽管人与人之间的互动受到时间和认知能力的限制，在一个不断增长的数字行星网络中，技术主体之间的互动能力可能是无限的。这些即将到来的变化会对一个全球化城市的幂律指数产生何种影响，仍然是推测性的，但我们发现这些转变可能导致更大的 β。

与城市类似，行星文明也会自然地行进在通往奇点的轨道上，经历一个终极的危机，我们称之为“渐近耗竭”[4]，其中奇点的间隔时间尺度变得小于创新的时间尺度。此外，随着信息处理和利用自由能（free energy）能力的增长，一个文明内部波动的幅度也会增加；过去、现在和未来由于自由能和信息扩展导致波动的例子包括：大气层氧化，人类引起的气候变化，核战争，以及“虚假信息灾难”。

因此，随着时间推移，奇点时间尺度 t_cycle 会减小，而潜在的危害波动会变得更有可能使创新“脱轨”。一旦奇点间的时间尺度变得足够短，使得内部波动或外部扰动可能导致 t_innovate > t_cycle 的概率变得不可忽略，文明的崩溃或衰退可能不可避免。

3. 内稳态觉醒与重新导向

一个文明可能有一个时间窗口 Δt_window，指从他们发展出理解自己的能力到达到渐进耗竭之间的时间（图1）。在这个不那么长的机会窗口期间，也许一个文明可以影响自身促成根本性的变化，优先考虑长期的内稳态和福祉，而不是无止境的增长和循环的必要创新——这种有意识的诱导轨迹改变，我们称之为“内稳态觉醒”。这样的内稳态重新导向将改写全球文明的结构，使得无限增长不再是首要任务，或者至少不再是结果（Wong & Bartlett 2022）。 

图1: 处在耗竭轨道上的文明演化的三个场景。上图：Δt_window<0，文明在遭遇渐近耗竭之前，没有认识到其发展路径，最终由于渐近耗竭而灭亡。中图：Δt_window > 0，但Δt_window/Δt_{accomplishment} < 1，文明意识到自己处于“渐进耗竭”的轨道上，但无法在此之前重新导向达到内稳态。下图：Δt_window > 0, 且 Δt_window/Δt_{accomplishment} > 1，文明不仅意识到了渐进耗竭，还在重新导向优先达到内稳态。

对能达成第三种场景乐观的理由包括：历史上的“小型觉醒”（例如禁止氟氯烃） ；非扩张性的国家政策（例如，不丹最大限度地扩大“国民幸福总值”，而非国内生产总值 GDP） ；之前演化过程中的关键转变（例如，细胞间通讯的调控机制的出现，使细胞能够合作达到器官层面和生物层面的内稳态）。自我意识驱动的重新优先考虑内稳态，可能是在我们当前所知文明之后，生命采取（或必须采取）的下一个超越（Frank et al. 2022）。

4. 对费米悖论的影响

我们对费米悖论（Fermi paradox）提出了一个新的“解决方案”。费米悖论是说，我们之所以没有观测到一个充满外星文明证据的星系，是因为外星文明要么由于渐进耗竭而崩溃，要么重新导向为优先考虑内稳态，这种状态下向宇宙拓张不再是目标，这使得它们难以被远程探测到（图2）。如果耗竭-觉醒假说（burnout–awakening hypothesis）确实描述了宇宙文明的命运，那么行星文明的生命长度可能呈现出双峰分布。

图2: 也许假想的“第三类文明”处在一个难以接近（或难以进入）的生物技术-人口规模状态空间，因为文明的发展轨迹被“耗竭视野”所限制。长寿的文明有意识地将轨迹重新导向，从人口规模和长度增长，转变为探索生物技术状态空间的其它维度。

耗竭-觉醒假说并不排除通过行星尺度的技术痕迹远程探测外星文明。事实上，接近耗竭的文明可能是最容易被探测到的外星文明，因为他们正在改变所处的环境，以非常不可持续的方式消耗自由能，此时行星尺度的波动显示出最大的信噪比。这意味着人类最初探测到的很多外星生命也许是聪明的，尽管现在还不是那么充满智慧。观察这些文明由于渐进耗竭毁灭（如果人类有足够长的寿命来做到这一点）将提供可能性证实我们的部分假设。另一方面，已经过渡到内稳态觉醒的持久文明可能难以探测或不可能探测到。

5. 结论

我们提出一个假设认为，行星文明，实际上通过它们的数据组连接起来的，可能会随着规模扩大，沿着渐进耗竭的轨迹行进。当耗竭临近时，文明可能会扩大认知视野来理解它们的轨迹，重新优先考虑内稳态。无论结果是达到内稳态觉醒或文明崩溃，都将与没有观察到第三类文明这一事实相一致。

参考文献

1. Bettencourt, L. M., Lobo, J., Helbing, D., Kühnert, C., & West, G. B.(2007). Growth, innovation, scaling, and the pace of life in cities. PNAS, 104(17), 7301-7306.

2. Judson, O. P. (2017). The energy expansions of evolution. Nature Ecology & Evolution, 1(6), 1-9.

3. Scharf, C. (2021). The Ascent of Information. Penguin Publishing Group. Szathmáry, E., & Smith, J. M. (1995). The major evolutionary transitions. Nature, 374(6519), 227-232.

4. Wong, M. L., & Bartlett, S. (2022). Asymptotic burnout and homeostatic awakening: a possible solution to the Fermi Paradox? J. R. Soc. Interface 19: 20220029. https://doi.org/10.1098/rsif.2022.0029

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