自然有热力学的定律来保证,费米悖论呢?

文章作者:Lily | 2016-05-13
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对中国的科幻迷来说,过去的2015年是不平凡的一年。刘慈欣先生的小说《三体》英文版终于为中国人捧回了科幻界的圣杯。与此同时,《三体》系列小说中的许多概念与设定,比如三体问题、黑暗森林状态、维度打击等,都在网络上引发了广泛议论。透过这些议论,细心的读者不难发现那一条隐藏在整部小说背后的著名的科学悖论。费米悖论对科幻界来说它就像是一个白洞,能够不断吐出激动人心的文学点子;而在科学界,它更像是一个黑洞,盘踞在人类文明的前方,使我们无法看清自身遥远的未来。

费米悖论其实是一个早已存在的命题。早在1950年,著名的美籍意大利物理学家恩里克·费米在与人讨论飞碟和外星人的问题时,突然冒出这样一句话:Where are they? (它们都在哪儿?)要理解这个疑问的来由的确要费些口舌。在物理学界,费米先生一向以惊人的估算能力闻名,这为他留下了诸多逸闻趣事,比如,估算芝加哥有多少位调琴师,或者根据原子弹爆炸时产生的声浪吹动纸片的距离估算原子弹当量等。正是凭借出色的估算能力,费米才脱口问出了那句话。他当时意识到的问题是:银河系的尺寸只有区区10万光年,而它的年岁已有100亿年。智慧文明哪怕以光速的千分之一对整个星系展开探索和殖民,也只需要1亿年(实际上人类已经具备了这样的航行技术)。然而,所有的地质学和古生物学发现都证实地球的生物圈已经自行进化和繁衍了数十亿年,其间极少受到来自外界的干扰(恐龙的灭绝应该算一个)。作为物理学家的费米显然无法接受这样一个矛盾,他觉得一定是哪里搞错了。

究竟是哪里搞错了呢?这便是60多年来科学家一直试图回答的疑问。如今,我们列举了形形色色的可能性,却没有一种得到观测的证实。从某种程度上讲,这是科幻文学的幸运,因为它的每一种解决方案都可以催生出一大类科幻小说。刘慈欣先生给出的答案是:智慧文明彼此处在一种缺乏交流和信任的黑暗森林状态。作为一名铁杆《三体》迷,笔者承认这的确是一个能够孕育出好故事的设定,但仅此而已。从现代天文学的角度看,这样的设定站不住脚。要知道,从遥远的地方判定一颗恒星是否孕育出了高等智慧文明其实是一件相对容易的事情。受制于热力学第二定律,文明要生存下去必然消耗大量的能源,而大规模的能量攫取手段(例如戴森球)难免会影响其所在恒星的光谱模式。即使是人类这样的初等文明建立的天文台(比如中国的郭守敬望远镜),也能够同时测量数以千计的恒星光谱,并据此建立起完备的数据库。此外,恒星物理学是一门相对成熟的学科,它差不多可以解释我们接收到的任何恒星的光谱类型。相关工作与计算机结合后,自动化程度极高,完全无须人力介入。还有,美国航空航天局在早已报废的开普勒空间望远镜的数据库里发现了许许多多的类地行星,这些行星不仅在体积和质量上与地球接近,而且也运行在母恒星的宜居带内。考虑到开普勒空间望远镜仅仅考察了银河系的冰山一角,且手段单一、灵敏度差,银河系中的类地行星的数目岂不是多得可怕?于是,这样两个截然矛盾的天文发现令费米悖论变得更加古怪和费解。这就好像我们在懵懂之间误闯了一间屋子,那里本该有许多人,此刻却一个人也没有。身处这样一间神秘的屋子,我们一定也会脱口而出那句话:“他们都在哪儿?”

也许,作为费米悖论最直接的推论,承认我们的宇宙的确处于某种大寂静的状态是符合奥卡姆剃刀定律的。后者指出:任何不利于此推论的结论都将逼迫我们做出某些额外的假设,而这些额外的假设将在数学上大大降低那些结论的可靠性。比如《三体》里的黑暗森林假设,它给出了一幅貌似处于“大寂静”状态、实则拥挤不堪的外星文明观。为此,刘慈欣先生给出的额外假设是猜疑链和技术爆炸。我们暂且不论这两个假设在外星文明间的可靠性有多高,单就技术爆炸这个概念而言,就带有浓浓的西方科技发展史的味道。

言归正传,我们回到“大寂静”的话题上来。说到“大寂静”,这个词还是来自人们对“奥兹玛”计划执行多年后得出的无奈结论。“奥兹玛”计划由美国天文学家德雷克(即德雷克公式的提出者)主导,旨在通过无线电波寻找临近太阳系的生物标志信号。该计划自1960年4月正式启动,监听工作断断续续开展了三期,却没有获得有价值的结果。尽管后来又实施了诸如“米塔”、“凤凰”、SETI等计划,也都一无所获,不了了之。宇宙的这种不寻常的无线电静默状态似乎在向人们展示某种暗藏在寒冷星空背后的广袤与荒凉。这样的结果甚至极大地改变了20世纪许多天文学家对生命和智慧的认知。

难道说宇宙中真的只有我们在呼唤和寻找吗?人类文明真的代表了银河系最先进的生产力吗?讲到这里,我们不得不提及所谓的“大筛选”理论(the Great Filter),它给出了一个造成“大寂静”的可能原因。为此,让我们尝试考虑一个类似阿西莫夫笔下的银河帝国那般宏伟的智慧文明。它是如此庞大,足迹遍及无数行星系,以至于寻找其文明的发源地都成了一个考古学难题。对那样的文明来说,我们所能设想到的任何天灾人祸似乎都不太可能触及其根基。也就是说,那样的文明几乎堪称不朽。不过很遗憾,费米悖论告诉我们,那样的文明就好比是18世纪人们幻想出来的永动机,现实中并不存在。永动机不存在自然有热力学的定律来保证,但费米悖论呢?“大筛选”理论认为,在银河帝国文明的发展初期,必然存在一个或者多个“大筛子”,而智慧文明能够跨越这些“筛子”的可能性微乎其微。接下来的问题是,我们的文明是否已经跨过了那些“筛子”?为此,大筛选理论的提出者罗宾· 汉森给出了9个可能的备选项,依照时间顺序它们分别是:①合适的行星系(即前面提到的类地行星);②可自由复制的遗传大分子(如RNA 和DNA);③简单的单细胞生物;④复杂的单细胞生物;⑤性繁殖;⑥多细胞生物;⑦能够运用工具;⑧我们所在的水平;⑨星际殖民。原文地址:http://www.ufo-1.cn/article/201605/1028.html

其中第八条是人类文明所处的水平。于是我们先前的问题变成了:那些“大筛子”究竟来自前面列举的7条,还是盘踞在第八条与第九条之间?考虑到人择原理,我们完全不可能察觉到那些已经被我们跨越过的“筛子”。在这一点上,行星物理学的某些发现会变得格外危险,因为它允许我们看清那些被人择原理遮蔽起来的重要信息。例如,开普勒空间望远镜的发现已经基本排除了第一条就是“大筛子”的可能性,因为它证明了类地行星在银河系里绝非罕见。这是个糟糕的消息。更糟糕的是,类似的发现每时每刻都可能重现在火星的探索任务之中。如果哪天美国航空航天局突然宣布他们的火星车在火星表面成功发现了某种原始的多细胞生物化石,即便它只是显微镜下相当模糊难辨的一瞥,我们的处境都会大大不妙。因为在那种情况下,我们几乎可以肯定多细胞生物仅仅在太阳系里就中了两票,若放眼广阔无垠的星河,外星生物的种类简直堪比恒河沙数!于是,传说中的“大筛子”要么就是第七条,要么它正盘踞在人类文明的正前方,对我们虎视眈眈。所以从这个意义上讲,在外星生物探索领域,没有消息便是最好的消息。

接下来,我们再看看“大筛子”处于人类文明前路的可能性又有多大。毋庸置疑,目前我们的文明正处在一个快速变革的时代,而且该过程具有不可逆的性质,即使些微的减速与倒退对人类来说都会是一场灾难。人类的智者不断揭秘未知的科学领域,这个过程就好比人类与上帝玩的一场不能反悔的摸球游戏,每做出一项科学发现,便相当于从上帝的袋子里摸出一颗带颜色的球,不同的颜色代表了不同性质的科学技术。其中有基本无害的绿球,比如太阳能技术、计算机技术;也有中性的白球,比如火的使用;还有代表危险的红球,比如克隆技术、核技术等;当然,更有代表死亡的黑球。眼下人类还不曾抓到黑色的球,但这并不代表黑球不存在。一旦黑球现世,便是所谓的“大筛选”降临的时刻。当然还有另外一种可能,那就是随着时间的推移,原本危险、中性甚至是无害的球,一夜之间忽然变成了黑球,令我们措手不及。这样的可能性的确存在,比如最近一直很火的人工智能技术。

到这里,我想很多读者对费米悖论产生的原因已经有了自己的答案。没错,这本就是一个见仁见智的开放性话题。不过换一个角度想,也许事情原本就没有那么复杂,仅仅只是智慧文明间难以逾越的巨大时空距离造就了如今的“大寂静”状态。设想此时此刻,银河系的另一端刚好有一个智慧文明在向太阳系的方向发送信号,我们要接收到它怎么也得等到8万年以后了。人类文明能延续那么久吗?只需看看眼下我们给地球的生态圈带来了什么,不难发现这可能真的是一个问题。

基于同样的考虑,某一时刻两个文明之间要达成单向的对话,须满足至少两个条件:第一,足够高的文明产生率;第二,足够长的文明寿命。这里定义的文明寿命自文明掌握射电技术的时刻算起。在这个标准下,人类文明目前只存活了110年。非常不幸的是,目前我们对第一个条件的数值范围仍然一无所知,就连第二个条件,我们也只能根据自身情况给出一个可能的下限。然而令人震惊的是,就是这样一个极度简化的数学规划模型,在稍加分析后竟得出了这样一个结论:无论宇宙间的文明产生率如何,文明都必须高于一定的寿命才可能达成单向对话,这个寿命的下限大约是1000年。我们可以定性地理解这个结果:两个寿命过短的文明同时存在且达成对话的可能几乎不存在,因为在信号尚未抵达时,其中一个就先灭亡了。可是,这样简单的结果忽然抛给我们一个巨大的疑问:费米悖论是否意味着智慧文明的平均寿命远远短于1000年?对人类文明来说,这个结果更加令人不安,因为它似乎暗示着那个致命的“大筛子”就盘踞在我们不远的将来。

当然,以上这些讨论完全有可能在无知的人群间引发某种末日的恐慌情绪,但这并非是我们讨论费米悖论的本意。

相反,它应该变成一口警钟,长鸣于每一个人类智者的心里,时刻提醒自己要尊重自然,居安思危,有所敬畏。古人云:君子有所为,有所不为,讲的就是这个道理。宿命论、机械论已被丢入历史的垃圾桶,放眼未来,我们的文明无可限量。联系当下的经济发展与环境保护问题,至少有一点会变得非常明确:如果人类社会还迟迟不改变自己的能源结构,继续在碳排放的问题上玩弄政治手腕,相互推诿不作为,恐怕我们都将在有生之年目睹自己文明的“大筛子”。

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