费米悖论与星系系统

本文有两个主题：脑洞出来的星系系统和费米悖论。如果只看脑洞，可以跳过费米悖论。照旧：请勿将本文用作科学参考。

……SETI 举办过了一场 SETIcon 会议，会议上曾经有人说过：或许在广袤的宇宙中，有一张通信的大网，他们在不断的相互交流，可是我们却不是这个网的一部分，因为我们还没有学会如何去聆听。

走在深夜的街道，周围很安静，我抬头看着漫天的繁星，在那些星星点点之间，似乎有张巨网在广袤的太空中无限蔓延，巨网的每个端点，都是一个文明。

银河在上，生命并不孤独。

——《梦与新世界》

费米悖论

到目前为止，我们确认了 1781 颗系外行星¹，而这个结果仅仅是我们搜寻了整个银河系非常小的一部分²得到的。既然银河系有这么多的行星，有些还是处在生物宜居带，可是为什么我们还没有遇到外星人呢？他们都到哪里去了？

1950 年，费米问出这个问题（Whre are they?）的时候，我们并没有观测到太阳系之外的行星，在那样一个年代，这样的问题似乎并不是那么有趣。

我们确认的系外行星的数目在继续增长。时至今日，费米的这个问题越来越重要：如果有那么多的栖居地，大家都在哪里呢？

费米悖论

宇宙显著的尺度和年龄意味着高等地外文明应该存在。但是，这个假设得不到充分的证据支持。

——费米悖论@维基百科

然而为了做更多的讨论，我们这篇脑洞文从一个特定角度看问题：宇宙如此之大，如果一个文明没有发现外星文明，原因可能是什么？这样就不再只是基于地球文明了，因此这个问题的具体的解释可能跟一个行星的地理位置等有关，或者可能只是一个宇宙普世的问题。

David Brin 的 Great Silence

Glen David Brin 在 1983 年曾经发表过一篇名为 The Great Silence - the Controversy Concerning Extraterrestrial Intelligent Life 的论文。

Drake 公式

这是 Drake 公式的复习。

Drake 公式是用来计算（描述）一个完整范围内（例如一个星系）存在可以被探测到的智慧文明的地点（例如行星）的数目 $E$ 为³：

\[\begin{equation} E = R * f_g * n_e * f_1 * f_i * f_c * L \end{equation}\]

其中各个参数的意思在下面的列表中指明。

$R$，该完整范围内的恒星的产生率；
$f_g$，有行星的稳定的（矮）恒星；
$n_e$，每个恒星系中的潜在的可以利用的行星；
$f_1$，上面提到的行星中能产生生命的比率；
$f_i$，所有产生的生命中，演化出智能的比率；
$f_c$，上面提到的智慧生命中制造出可以被检测到的技术的比率；
$L$，带有这样的技术的种类的寿命。

——德雷克公式@维基百科

Drake 公式仅仅给我们一个概念上的感觉“为什么费米悖论是一个悖论”。在 David Brin 的论文中，他导出了一个可以用来描述在当前人类接触到 ETIS，即 Extraterrestrial Intelligent Species 的几率。

为了计算某文明 O 与其他外星智慧生命接触的可能性，我们需要考虑包括文明 O 自身的技术以及其他文明的扩张等诸多因素。文明的扩张只能基于我们自己的文明发展来给定前提假设才能真的计算⁴。例如我们可以假设其他文明在母星上演化出来，然后往外扩散，在其他的星球上留下痕迹。倘若我们能够知道这个痕迹与某文明 O 的接触截面（即接触的可能性的一种量化），然后对所有的可能情况求评价，就可以知道某文明 O 与这种往外扩散的外星文明的接触的可能性了。再把其他所有的不同的文明都包括进来，那就是某文明 O 与所有外星文明接触的可能性。

作者的这项工作为后面的模块化分析做好了铺垫：给定不同的假设，计算某个特定的假设下的情况；对于不满意的人，使用其他的假设，重新计算假设的情况。以地球文明为例，我面可以排除很多假设，给定一个合理假设的范围。

当前（电磁波通信，低速飞船这样的技术水平）人类遇到外星智慧生命的概率（更严格的说是 likelihood）可以用下式计算，

\[\begin{equation} C = \frac{1}{N^*}\sum_{j=1}^{E} A_j (n_j+1). \end{equation}\]

公式中的 $E$ 就是 Drake 方程计算出来的存在可以探测到的智慧文明的栖居点。$A_j$ 是第 j 种演化出来的智慧生命栖居的或者排出的机器人（例如 von Neuman robot）所占据的栖居点的数目，之所以有个 $+1$ 是因为我们假定这个种类的生命是在其母星上演化出来的，所以他们总共在 $n_j+1$ 个行星上留下了痕迹。$A_j$ 是这类智慧生命的“接触截面”（contact cross-section），是这类生命跟其他的生命有接触的可能性的一个参数。$N^∗$ 是“归一化”系数，这里选用有效的恒星数目，去掉了那些不合适的恒星（例如短寿命的恒星，太过靠近的双星等等）。

David Brin 提出了 $n_j$ 的一个形式，

\[\begin{equation} n_j = B f_g n_e 4 \pi \int_0^{R_j} e^{-(R_j-r)/v L'}\mathrm d r, \end{equation}\]

$B$ 是恒星的数密度，$R_j$ 是该种类的生命的扩展范围的半径，$v$ 是他们的扩展速度（与他们的飞船的速度、繁殖速度等有关），$L’$ 是每个栖居点上面的寿命（与 $L$ 有关）。

这样总结下来，我们关心的量 $C$，即当前人类遇到外星智慧生命的 likelihood 与这些的参数相关：$f_g$、$n_e$、$f_1$、$f_c$、$f_i$、$L$、$A$. 要解决这个问题，就要分别讨论这些量。

作者还在此基础上，给定了一个简单的模型作为例子。他考虑了有多少恒星，恒星分布多么密集，某个种类的文明的扩张的半径和扩张的速度（与他们的飞船的速度、繁殖的情况等相关）以及该种类的文明在某个星球上的寿命⁵。

这样一来，我们就可以具体计算很多内容，也可以对模型进行修改或者完全推翻⁶。

那么，眼界放回到地球文明来，为什么我们地球文明还没有接触到外星智慧生命？ David Brin 的论文中对许多理论做了回顾，下面是其中几个比较有趣的理论的大意⁷。

外星智慧生命可能故意躲开我们这样的低级的智能或技术。毕竟相遇之后我们大多在获取新的信息，而不能提供给他们新的信息。
由于电磁波很容易被检测到，所以智慧生命可能会使用 Bracewell probe 来传递信息，从而减少电磁波的使用和泄露，而且他们也会很注意少使用用来扩展殖民地的机器人（可能会叛变失去控制）。
因为我们的探测方式不对⁸。例如其他文明并不适用电磁波来通信，例如其他文明并不需要水，等等。
外星智慧生命故意隔离我们。可能的原因例如，把我们太阳系当作一个大型的野生动物园来看待⁹，想要让地球独立发展以期待新的类型的事物出现¹⁰。也可能是等待地球上的社会发展成熟，或者觉得地球上人类太过危险（获得与社会发展以及人类心智不相匹配的科技之后）。
Macrolife：摒弃了在行星上生活的方式。例如建造大型飞船游走在太空中，甚至拆解行星作为自己的飞船的原料¹¹。
某些种类可能害怕太空，在行星上极力发展其他的技术并达到了出神入化的程度，但是依然没有离开自己的行星。例如虽然有过一个短暂的扩展时期，但是很快就蜗居在自己的母星上不出门了。
地球并不是他们想要的地方或者地球无法接近。例如这些智慧生命依靠某种类似虫洞的技术来快速穿越在不同的地方，但是由于某些原因，这类技术不能在地球附近建造，从而与地球没有接触。

小知识：星系围绕银河系中心的公转

由于公转的角速度在距离银河中心不同的地方是不一样的，所以径向方向的邻居会变化，现在在径向上相邻的两个星系会渐渐分开。

其他的与费米悖论相关的解释

例如刘慈欣的黑暗森林理论，与之相似的有 Randall Munroe（XKCD 作者）的 Fish¹²，Bezsudnov 和 Snarskii 有一个智慧扩张模型¹³。每个读者内心都应该有多种不同的对费米悖论的解释。

奇异的星系系统

智慧生命所生活的星系的构成，很大程度上影响了他们的文明的发展方向。就像黄仁宇在《中国大历史》¹⁴中说的地理影响历史的发展一样，星系的构成，从某种程度上说是一种更加宏大的“地理”（或者“天理”？不要吐槽）。而这种星系组成所造成的影响，很可能会比地球表面上的那些地理要重大的多。

科学问题

当然，从科学上讲，如果我们要设置一颗行星在一个恒星系统中，那么我们需要注意很多问题，例如，一个太过复杂混乱的恒星系统，例如三体系统，可以产生行星么？产生行星的概率多大？或者，我们可以设定为行星不是在该恒星系统产生的，而是在其他地方产生，由于某些变故，才被注入到这个系统中来。变故的可能比如星系大冲撞等等外来的强大的引力的干扰。

带有周期性灾难爆发的行星系统

行星如果围绕着一个带有吸积盘的系统旋转，例如行星围绕由中子星和恒星组成的系统旋转（或者非常靠近这样一个系统），而中子星形成吸积盘，除了吸积盘的轫致辐射和黑体辐射的叠加，还可能有类似核闪耀的事件。

补充知识

恒星如填充了 Roche lobe，那么恒星的物质就会被中子星夺走，并且形成吸积盘。而在一个带有强磁场的中子星周围，吸积盘的物质并不会直接落在中子星表面的任何地方，而是落入两端磁极。原因是磁场对于等离子体的强力的束缚作用。然后由于落入两极的物质会形成冲击波，在冲击波发生的时候，可能会发生核反应，从而释放更多的能量。取决于不同的情况，这样的过程可能会周期性的发生。

那么在这样一个行星系统中的生命，就会周期性的遇到一些大的爆发。

如果爆发强度太大，那么会导致几乎所有生命完全灭绝。
如果强度不是那么大，会杀死部分生命，导致周期性的物种大灾难。
不是很强的时候，会有很强的高能射线导致变异突增。

这样文明会有不同的环境，也就导致了不同的文明的发展。

处在星系盘面上方的行星系统

由于某些外在的原因¹⁵，一个行星系统可能会被抛到星系盘面的上方。这样一来，该行星上看到的银河系，就不在是一条银河，而是一个银盘，他们的天文观测，也会因为庞大的圆盘的遮挡，受到干扰。

设想一下，那将是一个多么壮观的场景，夜晚来临，头上有个发光的圆盘，而且中间明亮，四周暗弱。

当然，在经过一些时间，行星系统就转到了星系盘面之内，此时不再能看到银河盘面。

被有害高能射线照亮的星系

星系可能被高能射线照亮，例如 AGN¹⁶，但是由于星系中某颗特殊的行星受到某种特殊的保护，使得其免受这些高能光子的危害。然而他们却无法离开受到保护的区域，永远被困在了这个小小的恒星系中。

他们可以发射探测器到受保护区域的边缘，那里的危害不是特别强烈，但是允许他们探测 AGN 的一些特性。如何通过这些观测来推测保护层的属性？

或者 AGN 来自一个临近的星系。他们会不会观测到来自天体例如自家星系中心黑洞的引力弯折效应？

一个可能的故事是，一个文明被困，他们在探索自己的文明的起源地，却无法离开自己当前待得地方。

大气中含有大量一氧化二氮气体的行星

这纯粹是脑洞，毫无节操的脑洞。

短暂的吸入一氧化二氮气体会导致人兴奋发笑，行动迟缓。倘若某可行性由于某些化学反应释放大量该气体到大气中。倘若此行星有足够的氧气适宜人类生活，人可以暴露在大气中，但是一氧化二氮会使得众人发笑。这样就有了一颗“笑星”。

当然在“笑星”生活的太久了，气体的神经毒性会损坏大脑¹⁷。另外，一氧化二氮的易燃性是个非常值得考虑的问题。

笑星在科幻小说中的应用举例

在行星 X 上大气就是这样的状况。

起初，人们是戴面具来过滤掉一氧化二氮来保护自己的。这样当你想笑的时候，摘下面具，就可以不自主发笑。后来人们在身体内植入物替代了面具。有个人的植入物坏掉了，每隔几天时间就短暂的失效一下，这时候他就会忍不住发笑。

注释

http://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/ ↩
银河系直径31000-37000pc，然而我们目前确认的最远的系外行星只有 8500 pc，而且收到探测方法的限制，近处的很多系外行星并没有被我们发现。 ↩
之前尽量减少了公式的使用，然而这个公式太简单太有名，所以我还是硬着头皮放进来了。 ↩
寻找一个模型独立的方法，那也不是不能，只是那样一个细节缺失的模型并没有我们具体要讨论的这个模型更有启发性。 ↩
此栖居点上的文明的寿命，与很多因素有关，例如可能跟该物种的平均寿命有关。 ↩
这有点像 Facebook 那边一句著名的话：Done is better than perfect. 科研是一个循序渐进大家共同努力的过程，即便第一个可用的理论不完美，后面大家会不断修正扩展或者推翻。 ↩
仅仅是大意而已。单凭脑洞提出假设是不能称之为理论的，需要很多的后续工作。聪明的读者，如果你在阅读了大量别人的工作之后，发现自己的想法很独特，希望你能沿着自己的想法深挖下去的，最后形成自己的理论。 ↩
一篇相关科幻：《梦与新世界》 ↩
Ball, John A., 1973. Icarus, 19, 347 ↩
Kuiper, T.B.H. & Morris, M., 1977. Science, 196, 616 ↩
例如小说 Macrolife 所描述的情况。 ↩
Randall Munroe 的 1377号漫画：http://xkcd.com/1377/ ↩
论文：Where is everybody? – Wait a moment … New approach to the Fermi paradox ；科普：《为什么我们还没遇到外星人？》 ↩
豆瓣读书链接 ↩
例如在星系大碰撞中的某恒星和它的行星在多体散射过程中获取到额外的能量，轨道极端改变。 ↩
活动星系核，发出很强的电磁辐射的河外星系。维基百科词条 ↩
笑气毒性 ↩