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为什么我们还没遇到外星人?

外星人在哪里?为什么我们遇不到外星人?

sqybi 发表于  2012-03-28 23:34

从宇宙诞生至今,已经过去一百三十多亿年。仅银河系中就有约 2.5 × 10 11 颗恒星,整个可观测宇宙中的恒星数量则约有 7 × 10 22 颗之多。一个理所当然的想法是,人类在宇宙中并不是独特的智慧生命,整个宇宙还会有其他的高等文明。但问题是,为什么我们还没发现外星人的踪迹?

当然,人类能够探索到的地方相对整个宇宙来所微不足道。但宇宙拥有悠久的历史和数量庞大的星体,我们有理由相信,存在某个外星文明的科技水平远超人类,他们(至少是他们发出的讯息)应该早已到达地球。可是迄今为止,还没有人发现外星人存在的证据。

1950年,物理学家恩里科•费米(Enrico Fermi)在吃午饭的路上和同事讨论起了这个问题。费米问:“他们在哪里?”(Where is everybody?)“他们”,自然就是指外星人。这个著名的问题现在被称为费米悖论,它完整的表述为:宇宙显著的尺度和年龄意味着高等地外文明应该存在。然而,这个假设始终得不到充分的证据支持。

针对费米悖论,已经有了许许多多的研究和解释:或许智慧生命存在的稀少程度超乎我们想象;或许其他智慧生命的行为方式和我们的思维并不相同。而来自俄罗斯和乌克兰的两位科学家 Bezsudnov 和 Snarskii,则在自己的研究中建立了一个宇宙中智慧生物扩张的模型,试图解释这个问题。

宇宙文明的扩张

在这项研究中,两位科学家建立的自动机模型描述如下:

1.整个宇宙空间用一个有限大小的二维离散网格来模拟,每个格子都可能存在一个或多个文明,或者不存在文明;

2.模拟的宇宙中时间是离散的,最小时间单位为1;

3.每个格子在每一个时间都有 n (0

4.在一个文明产生后的 T 0 个时间内,文明将向外扩张,扩张的规律是:以最初产生文明的格子为中心,每个时间单位将四条边向上下左右各扩张一格,变成一个新的正方形;之后该文明将以同样的速度向内收缩,直到最终消失;

5.如果两个文明接触了(扩张时在某个格子中发生了重叠,只计算第一次接触),那么它们进行扩张的时间各自增加 T b 个时间单位;

6.当两个文明接触后,他们之间的交流不会中断;如文明A和B在某个时间接触了,若之后 B 又和 C 接触了,那么这时即使A和C并没有直接接触,文明 A 也会获得 T b 的扩张时间加成。

让我们来解释一下。研究者假设,每个文明都有特定的寿命,并都会会经历 发展——巅峰——衰退——灭亡或崩溃 的过程。当技术的发展遭遇限制时,文明开始衰退,由于没有新技术和资源,这个文明也就逐渐与外界终止了接触。在上面这个模型中,科学家就还提出了一种新的法则:当不同文明在空间和时间上相遇时,会相互交流,彼此促进发展,进而延长了各自文明的寿命。

而上面模型中的 T 0 ,就是孤立文明的寿命。当它和新文明交流时,相互促进使得其寿命延长的时间被设为 T b (为方便起见,这里假设所有文明的情况都是一样的)。

举个例子,如图所示,在某个时间 t1,宇宙中存在若干个文明,其中 2 号文明和 5 号文明正在收缩,其他文明都在扩张。到 t2 = t1 + 1 时, 3 号和 4 号文明在扩张的过程中接触了,此时 3 号和 4 号文明的扩张时间将各自增加 T b 。而到了 t3 = t2 + 1 时, 1 号文明和 3 号文明也接触了, 1 号、 3 号和 4 号文明各自获得 T b 的扩张时间加成。也就是说,最终 1 号文明获得了 T b 的总时间加成,而 3 号和 4 号文明则各自获得了 2T b 的时间加成。

/gkimage/js/qs/7r/jsqs7r.png

可以看出,这个模型中只有三个参数: T 0 、 T b 和 n。研究者据此建立了这样一个自动机。在他们的模拟中,宇宙的大小为 104×104, T 0 的取值范围是4至20, n的取值范围则是 3 × 10 -8 至 3 × 10 -5 。通过调整 T b 的取值并进行 320000 个时间单位的模拟后,科学家们发现了一些有趣的现象。

当宇宙是“黑暗森林”时会发生什么

科幻作家刘慈欣的《三体》中,曾提出“黑暗森林”理论。这个理论指出,由于猜疑链与技术爆炸,高等文明对低等文明都持有敌对态度,任何暴露自己存在的文明必将被消灭。虽然在本文介绍的模型并没有考虑文明间互相消灭或者敌对状态,但是我们可以考虑一种文明间互不干涉的情况。此时文明间的不存在相互交流和促进;对于整个模型来说,即为 T b = 0 的情况。

在这种状态下,每个文明持续的时间都是确定的:在文明产生后,先扩张再收缩,持续 T 0 个时间单位,最终这个文明会消失。如果将时间看做除了上面的网格图两个维度之外的第三维(如下图),那么这个模型中,存在文明的体积与整个模拟过程的体积之比(即图中有颜色的圆柱体总体积与整个空间的体积之比)为:

/gkimage/9j/fs/e1/9jfse1.png/gkimage/cj/7s/qm/cj7sqm.png

因为 T 0 远大于 1,我们可以做如下估算:

/gkimage/g3/bn/p9/g3bnp9.png

又因为 V 0 是给定的,所以可以认为宇宙中生命出现的体积与 n 和 T 0 的幂成正比,即:

/gkimage/ix/if/ce/ixifce.png

通过以上分析可以估算出,α≈1,β≈3。更精确的计算指出,α = 0.91±0.005,β = 2.79±0.02。

在这种情况下,生命将各自独立地繁衍,很显然,宇宙在这个参数下,永远也不可能被生命填满。对于一个文明,在产生、发展直至消失的过程中没有遇到其它文明,大概也就是理所当然的事情了。

文明间的相互促进

虽然“黑暗森林”是一个非常具有想象力的理论,但是以人类的价值观来看,两个文明接触后相互交流(而不是互相打击),是很正常的事情。这种不同文明间相互交流的情况,也就是 T b > 0 的情况。

针对不同的 T b ,几位科学家分别进行了模拟,如下图:

/gkimage/f5/n7/0a/f5n70a.png

途中横轴是宇宙的时间轴,而纵轴则是在某一个时刻宇宙被文明充斥的程度(即前文中计算的 V / V 0 )。

当 T b = 0 的情况,模拟结果和之前的计算结果很相近,整个宇宙一直处于平稳发展的状态,文明不断地产生和消失。

当 T b = 28 时,可以看到宇宙比前一种情况下被填得更满了。而且在某些时刻, V/ V 0 的值会突然出现波动。这是因为文明的产生是随机的,可能在某一个时刻,几个相距很近的文明相遇了,这会让他们持续发展很长一段时间。在这段时间中,前一个情况下“自生自灭”的平衡被打破了,宇宙也会被存在生命的星体覆盖得更满。但是在这之后它们因为没有足够的机会遇到新的文明,这几个文明最终消失,宇宙恢复了原来的样子。

而当 T b = 38 时,图像就和之前的两种情况截然不同了。可以看到,在某个时间点,宇宙内的文明突然产生了暴增,并最终占满整个宇宙。这是因为 T b 的值比前两种情况更大,文明就会有更多的时间去扩张自己,从而在扩张的过程中遇到更多新的文明。在 T b 足够大的时候(例如 T b = 38),文明扩张的时间足够长,在扩张过程中遇不到新的文明、最终收缩的概率也几乎为0,此时就可以认为文明将一直扩张下去,直到整个宇宙都被文明占领。

现实中的宇宙

两位科学家的这个研究,提出了一些可能对费米悖论进行解释的途经。模型中的 T b 值与 n 值的大小,会显著的影响文明和文明相遇的可能性。可能因为宇宙中 T b 的值太小,人类文明没有足够的几率探索到其它文明;也可能因为人类文明产生的时间太短,还没来得及与外星人有接触。

虽然这个研究非常有吸引力,但是要知道,它只是一个极度简化的模型,并不能完全代表真实的宇宙。在人类探索宇宙,试图寻找外星文明存在的蛛丝马迹时,遇到的问题远比这个模型复杂得多。

例如一个著名的分布式计算项目 SETI@Home,就是通过分析阿雷西博射电望远镜从宇宙中采集的无线电信号,试图以此找出外星文明的存在的证据。但很可惜,直到今天,这个项目也没能有所发现。先不论外星文明不一定会使用电磁波进行信息传递,即使真的有这样的电磁波存在,从宇宙的背景噪音中将其提取出来也并不像想象中那么简单。距离人类找到外星文明的那一天,似乎还遥遥无期。

但是,人类也不会因此就停下探索的步伐。对未知的渴求,正是推动整个社会发展的重要动力。在这个宇宙中,我们不能理解的事情还有很多;但是未来又为我们提供了无尽的可能性——有谁能说一定不会有这么一天,人们真的能够发现外星文明,甚至能够和他们见面,友好地握一握手呢!

其实人类曾努力向外太空发射过一段电波,向可能存在的外星人介绍了地球的大致情况。不过外星人不懂地球语,科学家是如何解决这个问题的呢?请看:

外星人,你能看懂我们发给你的信息吗?


参考资料: Where is everybody? - Wait a moment… New approach to the Fermi paradox. I.Bezsudnov A.Snarskii

热门评论

  • 2012-03-29 09:06 麦田里的守望者

    也许是我们所在的第四悬臂,甚至是整个银河系,都处在一个巨大的慢光速区中,我们所观察到的一切,都是当时制造慢光速区的祖先为了保护我们制造出的假象。

    [35] 评论
  • 2012-03-29 07:18 nipper

    因为星际大航海时代,还木有来到。

    [21] 评论
  • 2012-03-29 02:56 林讷 环境工程博士生,计算机爱好者

    那是因为乃们地球人太不思进取了
    就凭乃们那弱弱的化学火箭想冲出太阳系都很难,何况第四悬臂那种蛮荒之地

    [15] 评论

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全部评论(222)
  • 1楼
    2012-03-29 01:01 侧卫007

    [0] 评论
  • 2楼
    2012-03-29 01:36 tseug

    洗洗睡了

    来自果壳网iPhone客户端

    [0] 评论
  • 3楼
    2012-03-29 01:59 一棵云

    前排。

    [0] 评论
  • 4楼
    2012-03-29 02:00 眼眸

    看来一个文明技术发展到巅峰也不足以扩张到整个宇宙

    [0] 评论
  • 5楼
    2012-03-29 02:56 林讷 环境工程博士生,计算机爱好者

    那是因为乃们地球人太不思进取了
    就凭乃们那弱弱的化学火箭想冲出太阳系都很难,何况第四悬臂那种蛮荒之地

    [15] 评论
  • 6楼
    2012-03-29 06:50 钠洒

    好无聊…

    来自果壳网iPhone客户端

    [0] 评论
  • 7楼
    2012-03-29 07:18 nipper

    因为星际大航海时代,还木有来到。

    [21] 评论
  • 8楼
    2012-03-29 08:46 春水涣涣 电力电子博士生,文史爱好者

    有意思。。

    [0] 评论
  • 9楼
    2012-03-29 09:06 麦田里的守望者

    也许是我们所在的第四悬臂,甚至是整个银河系,都处在一个巨大的慢光速区中,我们所观察到的一切,都是当时制造慢光速区的祖先为了保护我们制造出的假象。

    [35] 评论
  • 10楼
    2012-03-29 09:15 appledgy
    引用@麦田里的守望者 的话:也许是我们所在的第四悬臂,甚至是整个银河系,都处在一个巨大的慢光速区中,我们所观察到的一切,都是当时制造慢光速区的祖先为了保护我们制造出的假象。

    把我们保护起来,不至于受到地外文明的惊吓,对“他们”来说不难。

    [1] 评论
  • 11楼
    2012-03-29 09:16 流氓神猫

    也许是因为各个类银河系的中心黑洞拖动时空的速度高于外星人移动速度。

    [2] 评论
  • 12楼
    2012-03-29 09:35 Uroboros

    看来制造光速船很有必要啊。。。要达到星际间航行的目的,非要制造出光速船不可!!!。。。但是人类对于自己已经发现的物理法则的态度大多数时候是comply而不是去hack。。。这就是人类技术落后的本质原因!

    Only two things are infinite, the universe and human stupidity, and I'm not sure about the former...
    [0] 评论
  • 13楼
    2012-03-29 09:51 PengZoe
    引用@Uroboros 的话:看来制造光速船很有必要啊。。。要达到星际间航行的目的,非要制造出光速船不可!!!。。。但是人类对于自己已经发现的物理法则的态度大多数时候是comply而不是去hack。。。这就是人类技术落后的本质原因!

    签名不错哦

    [0] 评论
  • 14楼
    2012-03-29 10:25 尹恩和

    看不懂

    [0] 评论
  • 15楼
    2012-03-29 10:30 木容

    嗯这个模型有点简单,他们没有考虑很多例如他们交流后+速毁灭或者是战争或者是能源技术瓶颈。

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  • 16楼
    2012-03-29 10:34 飞面教的信徒

    真心希望以我身上多余的十斤肥肉换来我数学能力的大提升啊

    [3] 评论
  • 17楼
    2012-03-29 11:03 风筝龙

    有意思,回去写个程序自己弄弄看

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  • 18楼
    2012-03-29 11:04 neusxw

    “每个格子在每一个时间都有n(0”打错了吧

    [0] 评论
  • 19楼
    2012-03-29 11:05 广林星云 无机化学研究生,天文爱好者

    确实已经是一个极度简化的模型了,没有考虑到①不同文明的延续时间和扩张/收缩速度的差异②两个文明通过交流获得的信息价值的大小(正作用或者负作用)③两个文明发生交流的后果(互相学习、互相吞并或者直接毁灭另一方)④多个文明之间互相作用情形的复杂情况等。不过单从数学模型看来还是很有意思并且值得思考的。

    [1] 评论
  • 20楼
    2012-03-29 11:19 曹小喵回来了 科幻迷,天文爱好者,地质学研究生
    引用@广林星云 的话:确实已经是一个极度简化的模型了,没有考虑到①不同文明的延续时间和扩张/收缩速度的差异②两个文明通过交流获得的信息价值的大小(正作用或者负作用)③两个文明发生交流的后果(互相学习、互相吞并或者直接毁灭另一方)④多个文明之间互相作用情形的复杂情况等。不过单从数学模型看来还是很有意思并且值得思考的。

    嗯,但是这个模型很有意思

    [0] 评论
  • 21楼
    2012-03-29 11:20 malachite

    虽然看懂,但我只能说,如果不能深入浅出,那就没有必要发出来了,专业术语不加以解释和形象比拟的话,大多数点进来的群众只会在看完你的第一段之后,上当般地点X

    [2] 评论
  • 22楼
    2012-03-29 11:21 我也不知道叫什么好了

    当我们和外星人接触之后,发现别人早就解决了能源危机,长生不死,宇宙探索等问题后,我们还在小小的地球上说着不同的语言,忙着解决家庭矛盾,国内国际经济危机,各种种族冲突。我们肯定会接受不了的,所以外星人考虑到我们的心情,就…………

    [2] 评论
  • 23楼
    2012-03-29 11:29 Johan

    这文章够有说服力

    [0] 评论
  • 24楼
    2012-03-29 11:38 动感超人

    好象霍金也是持黑暗森林观点的,不知是不是大刘给他老人家看过《三体2》。

    [0] 评论
  • 25楼
    2012-03-29 11:38 FLYCHINA

    我们不是已经有喵星人了吗?

    [2] 评论
  • 26楼
    2012-03-29 11:39 Steed 专业级业余天文爱好者

    其实我们还没有等到外星人,本身就已经说明了很多问题了……

    [0] 评论
  • 27楼
    2012-03-29 11:42 FLUKE

    一直不理解,为什么费米悖论被称之为悖论。。。

    [0] 评论
  • 28楼
    2012-03-29 12:06 嗨_裘德跪数学

    为什么我们还没有遇到另一半……

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  • 29楼
    2012-03-29 12:51 yyy_daodao

    虽不明,但觉历

    [0] 评论
  • 30楼
    2012-03-29 13:04 木容
    引用@广林星云 的话:确实已经是一个极度简化的模型了,没有考虑到①不同文明的延续时间和扩张/收缩速度的差异②两个文明通过交流获得的信息价值的大小(正作用或者负作用)③两个文明发生交流的后果(互相学习、互相吞并或者直接毁灭另一方)④多个文明之间互相作用情形的复杂情况等。不过单从数学模型看来还是很有意思并且值得思考的。


    我个人觉得你说的第三条可以修正下相互吞噬和相互进步没什么区别。他模型的意思是他使得文明TD的时间更长了个体的T0无所谓了。但这个是不一定时间长。

    [0] 评论

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sqybi 计算机科学与工程专业本科生,口琴控,动漫迷

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