费米悖论

悖论形成

最初疑问

费米悖论最初的想法并不是由费米提出的，而是出自康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基于1933年所作的一份未经发布的手稿2。他这样写道：“人们否认了外星文明的存在，因为，如果外星文明真的存在的话，应该会发生两件事情：一是它们应当拜访过地球了，二是它们应该向我们发出过一些它们存在的信号。”

至此，这个问题并没有形成悖论，而只是一个简单的假说演绎。因为基于我们尚未发现外星文明这一事实和齐奥尔科夫斯基的理论，我们应当得出的结论是“宇宙中不存在地外文明”，并不会产生矛盾。

提出矛盾

直到1950年，费米与他的同事们谈话时聊到了外星文明在哪里这一问题3。他们同样想到，如果存在外星人，那么人类应该已经发现过外星人了。但与齐奥尔科夫斯基不同，费米在讨论之后进行了简单的计算，并提出外星文明存在的概率是很大的。因此，这个问题成为了一个悖论。

在费米去世后，上述内容被他的同事发表，这个悖论也被称为费米悖论。

悖论刻画

我们可以看到，费米悖论最重要的两个矛盾论点是：

1.银河系中应当存在大量的外星文明

2.我们没有观测到外星文明的迹象

那么对于第一个论点，我们如何去证明或者证伪它呢？

德雷克公式可以很清晰的描述这个问题

德雷克公式的形式如下：

N=Ng×Fp×Ne×Fl×Fi×Fc×FL

左侧的N表示现在银河系中应当存在的可被观测到的地外文明数量，右侧的前三项表示银河系行星总数，后面几项则表示多级条件概率，将外星文明诞生并发出信号所需的每一步概率相乘得到一个总概率。

Ng：银河系内恒星数目；

Fp：有行星的恒星占所有恒星的比例；

Ne：恒星周围类地行星的平均个数；

Fl：类地行星上演化出生命的概率；

Fi：从原始生命演化至高智生命的概率；

Fc：高智生命发出能被人类文明所观测的信号的概率；

FL：科技文明持续时间在行星生命周期中占的比例；567

方程中的每一项所代表的含义都是层层递进的，基本思路是计算“在上一个条件被满足的情况下，下一个事件发生的概率”。

而整个德雷克方程具体化了外星文明存在的概率，因此我们可以通过研究每一项的概率来探讨外星生命是否存在这个问题。

然而我们要注意到，这个方程中的很多概率实际上几乎是无法测量或计算的。德雷克写出这个方程并不是真的希望使用这个方程求出银河系中地外文明的数量，而只是借助这样一个数学表达式来明确我们在研究外星文明时的问题，提醒我们探讨费米悖论的第一个论点时应当考虑到哪些因素。

这个方程还有另一种表述方式：

N=R*×Fp×Ne×Fl×Fi×Fc×L

R*：银河系形成恒星的平均速率；

L：科技文明寿命；

它与第一个方程的区别仅仅是通过数学变换将Ng×FL换成了R*×L，它们并没有什么实质性的区别，只是将讨论的具体对象由银河系恒星总数变成了银河系恒星形成速率。

当然，德雷克方程不仅仅可以用于研究费米悖论中的论点一，还可以帮助我们更好地诠释费米悖论。德雷克方程可以分为两部分，Ng×Fp×Ne×Fl×Fi×FL和Fc，准确来说只有第一部分讨论的是外星文明的存在性，而第二部分是基于外星文明存在的基础上，外星文明发出可观测信号的概率，这一部分实质上是费米悖论的内在逻辑——只要外星文明存在就应当被我们观测到。

如前文所述，有了德雷克公式，人们就可以通过估算德雷克公式中的每一个概率来估计外星文明存在的概率。如果通过德雷克公式估算出外星文明的存在量很大，说明按照这种估计方法理应存在足够数量的可被观测的外星文明，费米悖论的解决也就应当从其它角度去思考。当然，也有很多理论就是通过降低德雷克公式右侧的某个概率，来证明外星文明可能并不存在，从而解决费米悖论。

正式提出

1975年，哈特在皇家天文社会学学报上发表论文《关于地球上地外文明缺席的解释》，首次把费米悖论作为一个严肃的概念来讨论。

哈特的文章获得了出奇高的关注率，大量的科学家开始积极关注费米悖论并提出自己的意见。以观点激进而闻名的蒂普勒极力主张用一种理论上能进行自我复制的“冯·诺依曼探测器”来代替无线电搜索。格瑞恩则认为德雷克公式的各项参数设置存在缺陷，并在论文《大沉默：关于地外智慧生命的争论》中提出补充建议。 4

主要形式

由前文可以看出，费米悖论所描述的是“人们没有观测到地外文明存在的迹象”和地外文明存在的高概率之间的矛盾，而文明存在的迹象可以有很多种，因此费米悖论就可以通过很多形式进行表示。

费米悖论主要可以表述成两种形式。一种是“为什么没有发现外星人或者外星物品？”如果星际旅行是可行的话，即使是用人类造的飞船这样缓慢地旅行，也只需要5百万到5千万年就可以航行到银河系边缘。就算不考虑宇宙尺度，在地质学尺度上这也是一个相当短的时间。因此，我们没有发现外星人或外星物品这一事实本身就可以体现费米悖论；同时，宇宙中存在很多年龄比太阳更大的恒星，这就意味着外星智慧生命可能进化得更早，因此费米悖论的另一种表示形式就变成了“为什么星系还没有被殖民”。即使殖民对所有外星文明来说都是不合实际的或者是不想去做的，大规模的星际探索也应该是有可能出现过或正在进行的。但到目前为止，没有任何关于殖民和探索的证据得到承认。3

悖论基础

悖论的基础是对悖论中互相矛盾的论点及悖论的逻辑进行论证。我们解决悖论时，也要从这两个点入手进行思考。

具体到费米悖论就是：“外星文明大量存在”“我们没有探测到外星人”这两个事实，以及“外星文明存在就应当被我们观测到”这个逻辑。

费米悖论的第一个基础，即尺度问题，是一个数量级估计：银河系大约有2500亿（2.5 x 1011）颗恒星，可观测宇宙内则有700垓（7 x 1022）颗。即使智慧生命以很小的概率出现在围绕这些恒星的行星中，那么仅仅在银河系内就应该有相当多数量的文明存在。这也符合平庸原理的观点，即地球不是特殊的，仅仅是一个典型的行星，具有和其他星体相同的规律和现象。

费米悖论的第二个基础是对尺度观点的答复：考虑到智慧生命克服资源稀少性的能力和对外扩张的倾向性，任何高等文明都很可能会寻找新的资源和开拓他们所在的恒星系统，然后是涉足邻近的星系。但在宇宙已经诞生138亿年之久这个条件下，理论上足够高等文明进行扩张到足以被我们观察到的程度，然而我们却没有在地球或可观测宇宙的其他地方找到其他智慧生命存在的切实可靠的证据；因此，可以认为智慧生命是很稀少的，或者说我们对智慧生命的一般行为的理解是有误的。8

实验探索

探索思路

悖论的存在，说明我们的假设或者逻辑存在错误，因此我们的实验探索也将集中在这两个方面。目前为止，人类对费米悖论做出的最好的实验探索集中于尝试发现外星文明，这是最直观且具有高可行性的实验方式。因此本节主要讨论外星文明探索这一方面，而通过其它思路去解释费米悖论的理论将在下一节中说明。

自1960年来人们就有各种各样的尝试，并且很多项目仍在进行之中。因为人类没有星际旅行的能力，所以这种探索只能是远距离进行的，而且要求对细小的线索做仔细的分析。

这种限制导致我们只能去探索那些对环境造成显著影响的文明，或者是产生了能接收远距离探测的信号技术的文明，比如射电辐射。而没达到相应技术水平的文明3在不远的未来不太可能被地球探测得到。

值得注意的是，寻找地外文明要注意避免过于以人类为中心去看待线索。我们总是习惯地以为，探测到的现象会与人类活动能够产生的现象相似，或者会和人类获得先进科技之后能产生的现象相似。然而，智慧外星生物的行为可能不符合我们的预测，或者以对人类来说完全新颖的方式表现出来。

下面是一些著名的项目：

SETI计划

SETI计划是Search for Extra-Terrestrial Intelligence的缩写，意为搜寻地外文明。该计划由美国天文学家德雷克于1960年开启。这个计划希望通过对射电信号的解析来探测地外文明。首先在大量的射电信号中尝试寻找“非自然”的信号，如果这类信号存在，则有可能是地外文明发出的，我们就可以继续对这个信号及其发射位置进行更细致的研究，尝试发现地外文明。这个计划开启后，不断有世界各地的射电望远镜加入该计划，位于中国贵州的世界上最大口径的射电望远镜——五百米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST）也于2020年4月加入了该计划。

由于这项计划需要从大量的射电数据中判断是否存在地外文明信号，因此这项计划对计算机的算力需求很大。于是SETI团队在1999年发起了SETI@HOME项目，发动广大群众加入到地外文明探索项目中。在客户安装指定软件后，它就会在客户不使用计算机的时候利用计算机的算力解析数据，而这时用户的计算机屏幕会通过屏保界面显示正在处理的数据。

突破摄星

突破摄星（Breakthrough Starshot）计划指以近距离拍摄其它恒星系的方式来“突破”没有发现外星人这一事实，由英国物理学家史蒂芬·霍金联合俄国投资人尤里·米尔纳于2016年4月宣布启动的。该计划首先要将数千个仅有邮票大小的小型太空飞船发射入地球轨道，然后通过激光加速将其加到约20％光速的高速状态，并将它们对准其它恒星系，拍摄其它恒星系的照片后，通过激光传回地球，从而判断地外文明是否存在。

突破聆听

突破聆听（The Breakthrough Listen）计划意为通过聆听其它恒星的信号来“突破”没有发现外星人这一事实。该计划同样由霍金提出，并由尤里·米尔纳出资支持。这项计划使用世界各地大型望远镜监听临近地球的100万颗恒星，从这些恒星的电磁波信号中解读出可能证明地外文明存在的信息，进而证明它们的存在。

解释方法

在物理学家史蒂芬·韦伯于2002出版的《地外文明在哪儿？》一书中，列举了费米悖论的50种解决方案，主要可以归纳为以下三个方面

一、宇宙中不存在别的文明。

二、外星文明是存在的（或曾经存在过），但它们迄今为止还无法和我们接触。

三、外星文明已经来到地球，只是我们不知道。

我们来看几个具体的理论：

动物园假说

动物园假说（Zoo hypothesis）由John Ball 于1973年提出，该理论认为高等地外文明是存在的，但是人类被某个或某些高等文明切断了对外交流的通道，以此来达到一些目的。

该假说有很多变种假说或拓展假说，如天文馆假说、禁区假说。它们的本质都是某个或某些地外文明阻止了我们与其它外星文明的接触。10

渗透假说

银河系中的可居住行星分布并不是完全均匀的，而是呈现出一个个“岛屿”的分布状态，那么地外文明的殖民就不会是随意的，而是会以这些“岛屿”为主要的殖民目标。地球恰巧处于宇宙中一片很荒凉的地方，所以没有地外文明造访的情况是可能发生的。

与渗透假说（Percolation Theory Hypothesis）类似的，还有夏虫语冰假说、黑暗森林假说等。这类假说普遍认同地外文明是存在的，但出于某种原因，它们尚未到达地球。11

大过滤器假说

任何一个星球上，从生命诞生，到形成文明，再到星际殖民都需要经过非常漫长的过程，而这个过程中有很多的关键节点，它们发生的概率是非常小的，可以将每一个节点都称为过滤器。因此，大过滤器假说（Great Filter）是指，一个可被我们探测到的地外文明的形成都需要通过大量的过滤器，而成功通过所有过滤器的概率是非常的小的（可以思考为前文所述的德雷克公式中各项的概率很小）。即使乘以银河系中总行星数这一个如此庞大的基数，地外文明的个数仍有可能是极少的，甚至人类可能是银河系中唯一的文明。而考虑到以目前人类的技术水平并不足以对周围的空间产生足够明显的影响，这一个理论的另一种可能就是人类和许多宇宙中可能存在但没有被我们发现的地外文明一样，都尚未通过大过滤器，而在未来会有某种因素限制了我们向宇宙中发展。

与该理论类似的还有灾变论、长子假说等，它们普遍认为地外文明存在的数量有限甚至根本不存在地外文明。12

悖论影响

“费米悖论”形成以后，在天文学界一直有着相当大的影响，因为提出的基础是科学探知的事实：古老的银河系，已有约100多亿年的年龄，而银河系的空间直径却只有大约10万光年，这就是说，即使外星人仅以光速的千分之一翱翔太空，他们也不过只需1亿年左右的时间就可以横穿银河系——这个时间远远短于银河系的年龄。而且仅从数学概率上分析，在浩瀚的宇宙里，应该有着众多的类似地球的适合于生命存在的类地行星。并且这其中，有些行星的年龄要远远大于地球，因此，它们上面的生命进化，也要远远早于地球上的人类。

“费米悖论”提出几十年来，人类对太空的探索已有长足的进展。航天器已经参观或探测了太阳系中绝大部分的行星及其主要卫星，天文学家还追踪了成千上万颗星球发出的射电信号。但是，这些搜寻行动一无所获，人类并没有发现能够证明外星人存在的生命信号。“费米悖论”的实质就是否定外星文明的存在：既然我们至今还未发现外星人的蛛丝马迹，为什么还要相信它呢？

费米悖论也被应用于文学创作中。中国作家刘慈欣的科幻小说《三体2：黑暗森林》就以“黑暗森林”法则对费米悖论进行了一种可能的解释。大意为：宇宙中诞生的文明，由于相互之间距离极其遥远，使得文明之间的沟通非常困难；且各星球上诞生的文明，其思维方式、价值观、甚至基本逻辑思维方式和基本生命构成都有着巨大的差距。正是由于各文明之间基于上述原因而形成的猜疑链以及各自在技术水平上发展的不均衡性，一旦被外星文明获知自己的存在，就很可能给自身的生存带来威胁。其结果必然导致：具有一定成熟度和技术水平的文明，都会意识到宇宙的黑暗森林法则，因此都不会主动暴露自身的存在，以此解释了费米悖论“外星人在哪里？”的问题。“宇宙形如黑暗森林，各个文明形如黑暗森林中带枪的猎人”。按照“黑暗森林”理论，成熟的文明都拥有“藏好自己，做好清理”的本能，所以他们不会贸然出现，更不会暴露自己的位置。