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极光假说超越费米悖论:适合居住,就可以居住吗?
2022-08-12

来源: 中科院高能所

极光假说|超越费米悖论

费米悖论,是恩里科·费米提出的一个基本假设,它是基于宇宙的漫长年龄和庞大的星体数量,经过一系列的计算后发现——地外文明存在性的过高估计,与缺少地外文明存在的相关证据相矛盾。于是在1950年夏天的某个午餐的闲谈中,费米提出了“外星人它们都在哪里?”的著名问题。

简单来说,费米悖论指的是外星智慧生命(extraterrestrial intelligence, ETI)存在的高概率估计和缺乏明显的证据。

那么今天,我们来研究费米悖论的又双叒叕一种可能性——那就是殖民其他星系对我们的健康有害!

这叫做“极光假说”,这个理论认为,仅仅因为行星适合居住,并不意味着智慧生命就可以殖民那里!

这一假说的名字来源于一部著名的、相对较晚的科幻小说(下文将详细介绍),尽管它的起源可以追溯到几十年前。该假说的核心质疑了智慧物种能够在母星系统之外殖民的观点。

一个先进的文明,当它扩展到其他星系的时候,比如我们的星系,他们必将创造明显的迹象——其存在形式的空间基础设施。考虑到宇宙的年龄以及恒星和行星的绝对数量,到目前为止,智慧生命按理已经在许多世界上进化了许多次。

那该死的猜想!

刚才提到的假设,认为一个(或几个)高级文明应该已经殖民了我们星系,其实并不是源于费米本人。1975年,天文学家迈克尔·哈特(Michael Hart)写了一篇《关于地球上没有外星人的解释》(An Explanation for the Absence of extraterrestrial on Earth)的论文,这个想法才真正与费米悖论联系起来。

哈特的论点是,首先假设,一个ETI在过去的银河系中出现了,那么它将有足够的时间来发展星际旅行、殖民附近的恒星。随着时间的推移,这些殖民地会引发类似的殖民,最终导致这种文明殖民了我们银河系的大部分地区。然而,由于没有证据表明存在这样的文明(哈特的“事实A”),因此哈特得出结论——人类是孤独的。

这个论点在1980年被物理学家和宇宙学家弗兰克·蒂普勒(Frank Tipler)的研究中进一步阐明:“外星智慧生物不存在”。在这项研究中,蒂普勒运用了宇宙学原理以及SETI-支持者提出的其他观点,基本上可以归结为这样一个概念:SETI会像人类一样基于同样的科学原理来开发技术。

由此他估计,任何比人类早10亿年出现的高级物种,都能够在银河系殖民好几次:“除了可以与我们的火箭技术相媲美之外,从事星际通信的物种似乎有可能拥有一种”失败的“精密计算机技术……因此,我认为这样的物种最终会发展出一种能够自我复制的万能构造器,它具有与人类相当的智力水平……这种机器与现代火箭技术结合起来,将使人类有可能在不到3亿年的时间里探索和殖民银河系。”

由于蒂普勒对这一论点也有贡献,此论点以他和哈特的名字共同命名。后来的理论家,例如著名科学家大卫·布林(David Brin)所提出的“独特性假说”(Uniqueness Hypothesis),也建立了类似的理论基础。对此,卡尔·萨根(Carl Sagan)在一篇与地球科学家威廉·纽曼(William Newman)合著的反驳文章中回答道:“缺乏证据并不等于不存在。”

我们所能确定的是,没有任何先进的文明曾在我们的星系中进行过大面积殖民,否则,他们早就被发现了。除此之外,萨根认为人类在宇宙中是孤独的,他说这是“以人类为中心的、自我祝贺的宣言”,事实A肯定还有其他原因。

一代船的内部视图,它有着交替分布的条形的宜居表面,以及可以让光线进入的“窗户”。来源:Rick Guidice/NASA Ames Research Center

不得不说,这些论点往往把“大沉默”归因于社会学(探索和扩张不是规范的)或自然界的生物(智能生命是罕见的)原因。例如,稀土假说、海洋世界假说,或者基于“非收敛进化”原则的论点。然而,从另一种意义上说,生物学也有可能是一个因素。

起源

极光假说是以金·斯坦利·罗宾逊(Kim Stanley Robinson)2015年的科幻小说命名的。故事发生在星际一代船的船员上,他以10%的光速行驶于τ Ceti星系统,来殖民它的“月球”(名为奥罗拉),轨道在τ Ceti星的e轨道。他们到达后不久,试图适应当地环境,但由于接触了朊病毒这样的原始生命,殖民者们开始死亡。

朊病毒是一种错误折叠的蛋白质,能够将其特性传递到同一蛋白质的其他变体上。由于体积极小,它们一着陆就躲过了探测器和极光号机组人员的探测。对此,宇航员们分成了两派,一派仍然想要殖民这个系统,另一派想要返回地球(他们现在认为地球是唯一适合人类的环境)。

这一假设源于2019年一项名为《费米悖论和极光效应》的研究:该研究由罗切斯特大学的亚当·弗兰克(Adam Frank)、美国宇航局系外行星系统科学(NExSS)的首席研究员凯莱布·沙夫(Caleb Scharf)以及宾夕法尼亚州立大学系外行星和宜居世界中心和哥伦比亚大学的研究人员领导。

为了解决哈特事实A,研究人员首先检查了一个先进的外星文明可以在银河系中定居的速度。这其中包括:并不是所有的系统都有可居住的行星,被定居的系统最终会发射自己的探测器和客船,形成一个“定居前线”,随着时间的推移,会遍布整个星系。

最重要的是,他们还认为地球可能在遥远的过去被外星文明居住过(或访问过),但目前还没有证据证明这一点。然而,他们研究的新颖之处在于,他们考虑到虽然一颗行星可能是“宜居的”,但它可能不是天生的“宜居的”。他们说:“通常有这样一种假设,即任何行星都可以被改造成适合定居文明的特定需要的行星。但探测器的目的是建立可居住的定居点,所有的恒星系统都是可行的定居目标,这一想法属于外文明机构; 因此,在我们的工作中,我们放宽了这一假设。

“此外,一些恒星可能主要以土著形式生活,出于实际情况或道德的原因,这可能妨碍和解……这个主题在金·斯坦利·罗宾逊(Kim Stanley Robinson)的小说《极光》(Aurora)中得到了探讨(剧透警告)。在小说中,尽管一个世界在形式上是宜居的,但它并不是我们所说的可定居的。因此我们考虑了很难找到好的世界的可能性——我们称之为极光效应。”

行星无处不在。那么外星人都去哪了? 来源:ESO/M。 Kornmesser

在将所有这些因素纳入一系列模拟之后,他们得出了几个结论。首先,外文明在银河系定居所需的时间少于(或相当于)银河系目前的年龄(135亿年)。然而,如果把“极光效应”考虑进来,就会产生这样一种情况,即只有星系的某些部分被定居了。

再考虑到文明的寿命是有限的,似乎某些星系团注定要被定居和重新定居,而周围的地区也不稳定。最后,如果地球所在的星系区域与“重新安置的星团”不相符,那么在很长一段时间内(多达100万年),完全有可能根本没有人定居或访问过我们。

这个假设让人想起美国宇航局科学家杰弗里·a·兰迪斯在他1993年的著名研究中提出的“渗透理论”。根据兰迪斯的说法,天体物理学强加了一个最大的距离,在这个距离上直接星际殖民是可行的(比如通信时间延迟和时间膨胀)。兰迪斯说,这也会导致聚居群的出现,超过这个范围就不会出现殖民现象。

影响

这意味着地球曾被外星文明造访过,但这种可能性发生的时间间隔相当长。从费米悖论和事实A的角度来看,这是相当有意义的。作为一个物种,人类只存在了大约20万年,而且只有过去的6000年有记录。

除此之外,随着时间的推移,无数的记录和更古老的口述传统已经消失。如果外星文明只可能在一万年才出现一次,我们今天又怎么知道呢? 说到底,人类的记忆是短暂的。作为一个物种,在我们存在足够长的时间之前,说地球从未被其他智能物种访问过是完全不成熟的。

事实上,卡尔·萨根(Carl Sagan)和约西夫·什克洛夫斯基(Iosif Shklovsky)在他们的《宇宙中的智慧生命》(intelligent Life In the Universe)一书中曾认为,智能物种造访地球的可能性非常大。萨根提到过太平洋西北部的特林吉特人与拉·白鲁斯领导的法国探险队在1786年第一次接触的口头记录。

虽然没有关于这一事件的书面记录,但这个记录被保存了一个多世纪,后来被美国人类学家G.T。埃蒙斯(G.T。Emmons)公开。虽然这个故事是在特林格特人的神话和口头传统的背景下解释的,例如,帆船被描述为“巨大的黑色的鸟与白色的翅膀”,但此遭遇的本质被忠实地保存下来。他们写道:

“一个双目失明的老战士克服了遭遇时的恐惧,登上了一艘法国船只,与欧洲人交换了货物。尽管他双目失明,但他推断船上的人是人。他的解释使拉·白鲁斯探险队和特林吉特之间的贸易活跃起来。口头陈述包含了足够的信息,以便日后重建这一遭遇的真实性质,尽管这些事件被伪装在神话的框架中。”

萨根和什克洛夫斯基说,这和其他民间传说以及神话的例子都表明,在某些情况下,与外星文明的短暂接触可以以一种可重建的方式记录下来。当然,萨根和什克洛夫斯基也强调,对这种说法应该持怀疑态度,其中部分原因是上世纪70年代出现了完全不科学的“古代宇航员”理论。

批判

极光假说和其他假说一样,也受到数据不足的限制。特别是它是基于一个相当大的假设(“事实A”)而批评了哈特-蒂普勒猜想和其他版本的“唯一性假设”。然而,它仍然以一种依赖于假设的方式来进行,主要是它结合了萨根和其他“接触乐观者”的论点。

不幸的是,到最后,天文学家还没有足够的证据来限制系外行星的可居住性。虽然这其中有一个明智的想法是,简单地“类似地球”(或与其他物种的起源星球兼容)并不意味着它可以被定居,但在能够直接探索系外行星之前,什么都不能确定。

但同样,极光假说也是值得思考的,而且非常有用。随着我们继续对“可能适宜居住”的行星进行分类,我们不能允许自己成为“殖民乐观主义者”。你知道地球保护是如何强调人类的存在会威胁到当地的生命形式的吗? 的确,这有利有弊! 在我们登上系外行星表面之前,我们最好确保呼吸空气是安全的。

我们会在第十五辑《渗透理论假说|超越费米悖论》中介绍第13种解释。渗透理论假说认为,宇宙飞船从一颗恒星飞到另一颗恒星所需的能量大得令人望而生畏,尤其是在需要载人的大型宇宙飞船的地方。《极光假说》是《超越费米悖论》专栏中出现的第12种解释,请各位读者继续关注这个翻译专栏,再次感谢大家的阅读。