為什麼我們還沒遇到外星人？

科技 09-24

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從宇宙誕生至今，已經過去一百三十多億年。僅銀河系中就有約 2.5 × 10^11 顆恆星，整個可觀測宇宙中的恆星數量則約有 7 × 10^22 顆之多。一個理所當然的想法是，人類在宇宙中並不是獨特的智慧生命，整個宇宙還會有其他的高等文明。但問題是，為什麼我們還沒發現外星人的蹤跡？

為什麼我們還沒遇到外星人？

當然，人類能夠探索到的地方相對整個宇宙來所微不足道。但宇宙擁有悠久的歷史和數量龐大的星體，我們有理由相信，存在某個外星文明的科技水平遠超人類，他們（至少是他們發出的訊息）應該早已到達地球。可是迄今為止，還沒有人發現外星人存在的證據。

1950年，物理學家恩里科?費米（Enrico Fermi）在吃午飯的路上和同事討論起了這個問題。費米問：「他們在哪裡？」（Where is everybody?）「他們」，自然就是指外星人。這個著名的問題現在被稱為費米悖論，它完整的表述為：宇宙顯著的尺度和年齡意味著高等地外文明應該存在。然而，這個假設始終得不到充分的證據支持。

針對費米悖論，已經有了許許多多的研究和解釋：或許智慧生命存在的稀少程度超乎我們想像；或許其他智慧生命的行為方式和我們的思維並不相同。而來自俄羅斯和烏克蘭的兩位科學家 Bezsudnov 和 Snarskii，則在自己的研究中建立了一個宇宙中智慧生物擴張的模型，試圖解釋這個問題。

宇宙文明的擴張

在這項研究中，兩位科學家建立的自動機模型描述如下：

1.整個宇宙空間用一個有限大小的二維離散網格來模擬，每個格子都可能存在一個或多個文明，或者不存在文明；

2.模擬的宇宙中時間是離散的，最小時間單位為1；

3.每個格子在每一個時間都有 n ；

4.在一個文明產生後的 T個時間內，文明將向外擴張，擴張的規律是：以最初產生文明的格子為中心，每個時間單位將四條邊向上下左右各擴張一格，變成一個新的正方形；之後該文明將以同樣的速度向內收縮，直到最終消失；

5.如果兩個文明接觸了（擴張時在某個格子中發生了重疊，只計算第一次接觸），那麼它們進行擴張的時間各自增加 Tb個時間單位；

6.當兩個文明接觸後，他們之間的交流不會中斷；如文明A和B在某個時間接觸了，若之後 B 又和 C 接觸了，那麼這時即使A和C並沒有直接接觸，文明 A 也會獲得 T b 的擴張時間加成。

為什麼我們還沒遇到外星人？

讓我們來解釋一下。研究者假設，每個文明都有特定的壽命，並都會會經歷發展——巔峰——衰退——滅亡或崩潰的過程。當技術的發展遭遇限制時，文明開始衰退，由於沒有新技術和資源，這個文明也就逐漸與外界終止了接觸。在上面這個模型中，科學家就還提出了一種新的法則：當不同文明在空間和時間上相遇時，會相互交流，彼此促進發展，進而延長了各自文明的壽命。

而上面模型中的 T，就是孤立文明的壽命。當它和新文明交流時，相互促進使得其壽命延長的時間被設為 Tb（為方便起見，這裡假設所有文明的情況都是一樣的）。

舉個例子，如圖所示，在某個時間 t1，宇宙中存在若干個文明，其中 2 號文明和 5 號文明正在收縮，其他文明都在擴張。到 t2 = t1 + 1 時， 3 號和 4 號文明在擴張的過程中接觸了，此時 3 號和 4 號文明的擴張時間將各自增加 T b 。而到了 t3 = t2 + 1 時， 1 號文明和 3 號文明也接觸了， 1 號、 3 號和 4 號文明各自獲得Tb的擴張時間加成。也就是說，最終 1 號文明獲得了 Tb的總時間加成，而 3 號和 4 號文明則各自獲得了 2Tb的時間加成。

為什麼我們還沒遇到外星人？

可以看出，這個模型中只有三個參數：T、Tb和 n。研究者據此建立了這樣一個自動機。在他們的模擬中，宇宙的大小為 104×104，T的取值範圍是4至20， n的取值範圍則是 3 × 10^-8 至 3 × 10^-5 。通過調整Tb的取值並進行 320000 個時間單位的模擬後，科學家們發現了一些有趣的現象。

當宇宙是「黑暗森林」時會發生什麼

科幻作家劉慈欣的《三體》中，曾提出「黑暗森林」理論。這個理論指出，由於猜疑鏈與技術爆炸，高等文明對低等文明都持有敵對態度，任何暴露自己存在的文明必將被消滅。雖然在本文介紹的模型並沒有考慮文明間互相消滅或者敵對狀態，但是我們可以考慮一種文明間互不干涉的情況。此時文明間的不存在相互交流和促進；對於整個模型來說，即為Tb= 0的情況。

在這種狀態下，每個文明持續的時間都是確定的：在文明產生後，先擴張再收縮，持續T個時間單位，最終這個文明會消失。如果將時間看做除了上面的網格圖兩個維度之外的第三維（如下圖），那麼這個模型中，存在文明的體積與整個模擬過程的體積之比（即圖中有顏色的圓柱體總體積與整個空間的體積之比）為：

為什麼我們還沒遇到外星人？

因為T遠大於 1，我們可以做如下估算：

又因為 V是給定的，所以可以認為宇宙中生命出現的體積與 n 和T的冪成正比，即：

通過以上分析可以估算出，α≈1，β≈3。更精確的計算指出，α = 0.91±0.005，β = 2.79±0.02。

在這種情況下，生命將各自獨立地繁衍，很顯然，宇宙在這個參數下，永遠也不可能被生命填滿。對於一個文明，在產生、發展直至消失的過程中沒有遇到其它文明，大概也就是理所當然的事情了。

文明間的相互促進

雖然「黑暗森林」是一個非常具有想像力的理論，但是以人類的價值觀來看，兩個文明接觸後相互交流（而不是互相打擊），是很正常的事情。這種不同文明間相互交流的情況，也就是 Tb> 0 的情況。

針對不同的Tb，幾位科學家分別進行了模擬，如下圖：

為什麼我們還沒遇到外星人？

途中橫軸是宇宙的時間軸，而縱軸則是在某一個時刻宇宙被文明充斥的程度（即前文中計算的 V / V）。

當Tb= 0 的情況，模擬結果和之前的計算結果很相近，整個宇宙一直處於平穩發展的狀態，文明不斷地產生和消失。

當Tb= 28 時，可以看到宇宙比前一種情況下被填得更滿了。而且在某些時刻， V/ V的值會突然出現波動。這是因為文明的產生是隨機的，可能在某一個時刻，幾個相距很近的文明相遇了，這會讓他們持續發展很長一段時間。在這段時間中，前一個情況下「自生自滅」的平衡被打破了，宇宙也會被存在生命的星體覆蓋得更滿。但是在這之後它們因為沒有足夠的機會遇到新的文明，這幾個文明最終消失，宇宙恢復了原來的樣子。

而當Tb= 38 時，圖像就和之前的兩種情況截然不同了。可以看到，在某個時間點，宇宙內的文明突然產生了暴增，並最終佔滿整個宇宙。這是因為Tb的值比前兩種情況更大，文明就會有更多的時間去擴張自己，從而在擴張的過程中遇到更多新的文明。在Tb足夠大的時候（例如Tb= 38），文明擴張的時間足夠長，在擴張過程中遇不到新的文明、最終收縮的概率也幾乎為0，此時就可以認為文明將一直擴張下去，直到整個宇宙都被文明佔領。

現實中的宇宙

兩位科學家的這個研究，提出了一些可能對費米悖論進行解釋的途經。模型中的Tb值與 n 值的大小，會顯著的影響文明和文明相遇的可能性。可能因為宇宙中Tb的值太小，人類文明沒有足夠的幾率探索到其它文明；也可能因為人類文明產生的時間太短，還沒來得及與外星人有接觸。

雖然這個研究非常有吸引力，但是要知道，它只是一個極度簡化的模型，並不能完全代表真實的宇宙。在人類探索宇宙，試圖尋找外星文明存在的蛛絲馬跡時，遇到的問題遠比這個模型複雜得多。

例如一個著名的分布式計算項目SETI@Home，就是通過分析阿雷西博射電望遠鏡從宇宙中採集的無線電信號，試圖以此找出外星文明的存在的證據。但很可惜，直到今天，這個項目也沒能有所發現。先不論外星文明不一定會使用電磁波進行信息傳遞，即使真的有這樣的電磁波存在，從宇宙的背景噪音中將其提取出來也並不像想像中那麼簡單。距離人類找到外星文明的那一天，似乎還遙遙無期。

但是，人類也不會因此就停下探索的步伐。對未知的渴求，正是推動整個社會發展的重要動力。在這個宇宙中，我們不能理解的事情還有很多；但是未來又為我們提供了無盡的可能性——有誰能說一定不會有這麼一天，人們真的能夠發現外星文明，甚至能夠和他們見面，友好地握一握手呢！

via：sqybi （果殼）

編輯：Jade

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