基本介紹
- 中文名：費米悖論
- 外文名：Fermi paradox
- 別稱：費米謬論
- 提出者：費米
- 提出時間：1950年
- 套用學科：天文
- 適用領域範圍：天文學
產生背景,悖論發展,悖論觀點,解決方法,主要形式,悖論影響,實驗驗證,未解之謎,
產生背景
在1950年的一次非正式討論中，諾貝爾獎獲得者、物理學家費米在和別人討論飛碟及外星人的問題時，突然冒出一句：“他們都在哪兒呢？”，如果銀河系存在大量先進的地外文明，那么為什麼連飛船或者探測器之類的證據都看不到。
對這個話題更加具體的探討最早出現在1975年麥克·哈特的文章中，有時也被叫做麥克·哈特悖論。另一個緊密相關的問題是大沉默——即使難以星際旅行，如果生命是普遍存在的話，為什麼我們探測不到電磁信號？
有人嘗試通過尋找地外文明的證據來解決費米悖論，也提出這些生命可能不具備人類的智慧。也有學者認為高等地外文明根本不存在，或者非常稀少以至於人類不可能聯繫得上。地球殊異假說有時被認為為費米悖論提供了一種解釋的答案。
從哈特開始，很多人開始發展關於地外文明的科學理論或模型。大部分工作都引用費米悖論作為參考。很多相關的問題已經得到重視，內容包括天文學、生物學、生態學和哲學。新興的天體生物學給問題的解決引入了跨學科的研究手段。
悖論發展
費米悖論亦稱費米佯謬，在費米提出之後，該佯謬得到了不斷的發展，如今被稱為“齊奧爾科夫斯基（K. Tsiolkovsky）·費米·維尤因（D. Viewing）·哈特（M. Hart）·蒂普勒（F. Tipler）佯謬”，這些人都曾參與了費米佯謬的討論並提出了重要觀點。
1959年，《Nature》發表了一篇想像力十足的文章《尋求星際交流》——它如今已被該領域研究者奉為“經典中的經典”，兩位天文學家科科尼和莫里森提出，可以利用微波輻射來探測銀河系其他文明的構想。之後天文學家弗蘭克·德雷克(Frank Drake)提出了兩道方程解，被稱為德雷克公式 (又叫德雷克方程 )：
公式1為:N=Ng×Fp×Ne×Fl×Fi×Fc×FL
公式2為:N=R*×Fp×Ne×Fl×Fi×Fc×L
其中：N 代表銀河系內可能與我們通訊的文明數量
Ng銀河系內恆星數目
fp恆星有行星的比例
ne每個行星系中類地行星數目
fl有生命進化可居住行星比例
fi演化出高智生物的機率
fc高智生命能夠進行通訊的機率
fL科技文明持續時間在行星生命周期中占的比例
公式2與公式1的區別在於R*替代了Ng，L替代了fL。
R*為銀河系形成恆星的平均速率，
L為科技文明壽命
德雷克公式用來估測銀河系中存在地外文明星球的數量是多少。“德雷克方程”被看作是理論上對費米佯謬的第一次正式回應。
但科學家不同意很多公式中變數的值（可以嚴謹地說德雷克公式計算於銀河系中且我們可能接觸的外星生物的數量，而不是有生命的機率）。取決於不同的值，方程式可以暗示生命的形成是頻繁或稀少的。德雷克計算我們在任何時間可能接觸的外星生命只有1個。
1975年，哈特在皇家天文社會學學報上發表論文《關於地球上地外文明缺席的解釋》，首次把費米佯謬作為一個嚴肅的概念來討論。針對費米的問題，他提出四種解釋:1、對地外文明而言，進行星際旅行還不可行。2、從動機分析，地外文明不打算和人類進行接觸。3、地外文明剛剛出現不久，和人類的接觸還需要一段時間。4、地球已經被外星文明拜訪過了，只是我們不知道而已。哈特逐一進行討論後，認為以上四個理由都不成立，由此得出的反推結論只能是:地外文明根本不存在。
哈特的文章獲得了出奇高的關注率，大量的科學家開始積極關注費米佯謬，並提出了自己的意見。以觀點激進而聞名的蒂普勒極力主張，用一種理論上能進行自我複製的“馮·諾依曼探測器”來代替無線電搜尋。格瑞恩在論文《大沉默:關於地外智慧生命的爭論》中，則認為德雷克方程的各項參數設定存在缺陷，並提出補充建議。
悖論觀點
費米悖論講述的是有關尺度和機率的論點和稀缺的證據之間的矛盾，宇宙顯著的尺度和年齡意味著高等地外文明應該存在。但是這個假設得不到充分的證據支持。
費米悖論的第一點，即尺度問題，是一個數量級估計：銀河系大約有2500億(2.5 x10^11)顆恆星，可觀測宇宙內則有700垓（7 x 10^22）顆。即使智慧生命以很小的機率出現在圍繞這些恆星的行星中，那么僅僅在銀河系內就應該有相當大數量的文明存在。這也符合平庸原理的觀點，即地球不是特殊的，僅僅是一個典型的行星，具有和其他星體相同的規律和現象。有人用德雷克公式來支持這個論點，儘管這個式子的基礎正在受到質疑。
費米悖論的第二點是對尺度觀點的答覆：考慮到智慧生命克服資源稀缺的能力和對外擴張的傾向性，任何高等文明都很可能會尋找新的資源和開拓他們所在的恆星系統，然後是涉足鄰近的星系。因為在宇宙誕生137億年之後，我們沒有在地球或可觀測宇宙的其他地方，找到其他智慧生命存在的切實可靠的證據；可以認為智慧生命是很稀少的，或者說我們對智慧生命的一般行為的理解是有誤的。
解決方法
在物理學家史蒂芬·韋伯2002出版的《地外文明在哪兒？》一書中，列舉了費米佯謬的50種解決方案，主要可以歸納為以下三個方面
一、宇宙中不存在別的文明。
二、外星文明是存在的（或曾經存在過），但它們迄今為止還無法和我們接觸。
三、外星文明已經來到地球，只是我們不知道。
主要形式
費米悖論可以表述成兩種形式。一種是“為什麼沒有發現外星人或者外星物品？”如果星際旅行是可行的話，即使是用人類造的飛船這樣緩慢地旅行，也只需要5百萬到5千萬年去征服星系。就算不考慮宇宙尺度，在地質學尺度上這也是一個相當短的時間。因為有很多年齡比太陽更大的恆星，或者因為智慧生命可能進化得更早，這個問題就變成為什麼星系還沒有被殖民。即使殖民對所有外星文明來說是不合實際的或者是不想去做的，大規模的星際探索也應該是有可能（探索的方式和理論上的探測器會在下文具體討論）。然而沒有任何關於殖民和探索的證據得到承認。
星際旅行的次數問題就足以解釋為什麼地球上缺少外星生物的證據。但是問題就變成“為什麼我們看不到智慧生命的跡象？”，因為足夠高等的文明應該能在可觀測宇宙的較大範圍內被看見。即使這些文明是很稀少的，尺度問題的討論暗示他們可能在宇宙歷史中的某一段存在過。因為他們在相當長的一段時間內能夠被觀測到，我們視野範圍內應該能找到很多他們起源地的跡象。然而沒有任何確切的地外文明的觀測證據。
相同的以尺度和機率的角度與視野來觀察，地球屬於適居帶的行星，擁有且滿足一切生物物種維持生命、生存和演化的所有條件，然而事實上從地球歷史中的顯生宙開始至今，在這長達五億多年的歲月間和數百萬的生物物種中，只有一個物種成功的演化成為高等智慧生命－“人類”，而非多種多元的高等智慧生物並存於地球上，這顯示了在“相同條件”下，“高等智慧生命”並非如此的輕易出現和存在。同地球殊異假說一般，這或許為費米悖論提供了一個答案。
悖論影響
“費米悖論”自成，在天文學界就有著相當的影響，因為它是基於科學探知的事實：古老的銀河系，已有約100多億年的年齡，而銀河系的空間直徑卻只有大約10萬光年，就是說，即使外星人僅以光速的千分之一翱翔太空，他們也不過只需1億年左右的時間就可以橫穿銀河系——這個時間遠遠短於銀河系的年齡。而且僅從數學機率上分析，在浩瀚的宇宙里，應該有著眾多的類似地球的適合於生命存在的星體。並且這其中，有些星體的年齡要遠遠大於地球，因此，它們上面的生命進化，也要遠遠早於地球上的人類。
“費米悖論”生成幾十年來，人類對太空的探索已有長足的進展。宇宙飛船已經參觀或探測了太陽系中絕大部分的行星及其主要衛星，天文學家還追蹤了成千上萬顆星球發出的微波信號。但是，這些搜尋行動一無所獲，人類並沒有發現能夠證明外星人存在的生命信號。“費米悖論”的實質就是否定外星文明的存在：既然我們至今還未發現外星人的蛛絲馬跡，為什麼還要相信它呢？
“費米悖論”在天文學界廣有市場，許多著名的科學家對此持贊成的態度。
中國作家劉慈欣的科幻小說《三體Ⅱ黑暗森林》以“黑暗森林”法則（宇宙社會學）對費米悖論進行了一種可能的解釋。其大意是指：宇宙中誕生的文明，由於相互之間距離極其遙遠，使得文明之間的溝通非常困難；各星球上誕生的文明，其思維方式、價值觀、甚至基本邏輯思維方式和基本生命構成都有著巨大的差距。正由於各文明之間距離上的遙遠性、互相所構成的猜疑鏈、以及各自在技術水平上發展的不均衡性，一旦被外星文明獲知自己的存在，就很可能給自身的生存帶來威脅。其結果必然導致：具有一定成熟度和技術水平的文明，都意識到宇宙的叢林法則，各文明不主動暴露自身的存在。“宇宙形如黑暗森林，各個文明形如黑暗森林中孤行的獵人”。依此解釋了費米悖論“外星人在哪呢？”的問題。按照“黑暗森林” 理論，成熟的文明都擁有“清理其他文明”和“隱藏自己”的本能。所以他們不會貿然出現，更不會暴露自己的位置。
實驗驗證
解決費米悖論最顯而易見的方法就是找到地外文明存在的證據。自1960年來有各種各樣的嘗試，很多項目仍在進行之中。因為人類沒有星際旅行的能力，這種探索只能是遠距離進行的，而且要求對細小的線索做仔細的分析。
這種限制導致我們只能去探索那些對環境造成顯著影響的文明，或者是該文明產生了能被遠距離探測的信號，比如射電輻射。對於沒達到相應技術水平的文明，在不遠的未來都不太可能被地球探測得到。
尋找地外文明要注意避免過於以人類為中心去看待線索。我們總是習慣地以為，探測到的現象會相似於人類活動能夠產生的現象，或者會和人類獲得先進科技之後能產生的現象一樣。然而，智慧外星生物的行為可能不符合我們的預測，或者以對人類來說完全新穎的方式表現出來
未解之謎
費米悖論無論是對於天文學界，還是對於科幻圈來說，都是一個開放式問題。每個人都可以提出自己的答案，在真正正式接觸到外星人之前，沒有人知道這個問題的正確答案。不過從數學機率及邏輯上分析，在浩瀚的宇宙里，應該有著眾多的類似地球的適合於生命存在的星球。
美國天文學家德雷克於1960年提出了一條用來推測“銀河系內可能與我們接觸的文明數量”的方程，這就是著名的“德雷克方程”——N=Ng×Fp×Ne×Fl×Fi×Fc×FL(其中N代表銀河系內可能與我們通訊的文明數量，Ng銀河系內恆星數目，Fp恆星有行星的比例，Ne每個行星系中類地行星數目，Fl有生命進化可居住行星比例，Fi演化出高智生命的機率，Fc高智生命能夠進行通訊的機率，FL科技文明持續時間在行星生命周期中占的比例)。
美國天文學家、科普作家卡爾薩根估計，依據德雷克方程，存在地外智慧生命的星球數量應該為100萬顆；美國科幻作家阿西莫夫則認為，這樣的星球應有67萬顆；而法蘭克 德雷克本人較為保守的估計為10萬顆。
英國天體生物學家沃森曾參照地球智慧生命的演化過程，建立過一個數學模型，分析結果顯示，在其他行星上找到智慧生命的可能性非常低。他認為，任何一顆行星都不會為生命的演化提供無限長的時間；像地球這樣的行星，其適合生命生存的時期受太陽亮度的影響，超過一定的時間後，適合生命生存的時期將隨之結束。其結論是：如果假定生命演化的時間為40億年，那么，在一顆類地行星上出現智慧生命的可能性不超過0.01%。
現代天文學確證：地球人的出現是宇宙演變的結果；由於自然法則在宇宙中具有普遍性，導致地球人誕生的因素也會出現在蒼茫宇宙的某處。因此不少科學家堅信：宇宙中存在外星人。
