宇宙中存在地外文明的概率，要遠大於地球文明是宇宙中唯一文明的概率。既然如此，爲什麼我們沒有發現任何地外文明存在的確切證據呢？有科學家提出解釋，宇宙中誕生的所有文明，或許在發展出星際航行技術之前，就不可避免地崩潰了……

撰文 | 白德凡

審校 | 王昱

我們的地球不過是宇宙中的一個角落，那麼以宇宙廣袤與悠久，宇宙中其他地方也存在文明的概率，要遠大於地球文明是宇宙中唯一文明的概率。既然如此，那些外星文明都在那裏？爲什麼我們至今還沒有觀察到它們存在的確切證據呢？

不只是科幻作家關心這個問題，它還是一個嚴肅的科學問題。這個問題最早由物理學家恩利克·費米（Enrico Fermi）在1950年提出，他還試圖用粗略的計算表明外星文明早已訪問過地球。費米主張，銀河系中有數百億顆類似太陽的恆星，它們周圍很可能有宜居的類地行星。在這樣巨大的數量下，即使文明誕生的概率很小，可能存在文明的數量依然可觀。而這些文明可能已經發展了數十億年，一旦他們恆星系統的資源被耗盡，必然要進行星際移民。按理說宇宙中應該充斥着文明移民的痕跡，但爲什麼我們至今沒有觀測到任何證據呢？這個問題後來被稱爲“費米悖論”（Fermi paradox）。

費米悖論提出後，有科學家希望量化一下外星文明存在的可能性。1961年，天文學家弗蘭克·德雷克（Frank Drake）提出了一個公式，用來估算銀河系中可與我們進行通信的文明數量。這個公式涉及銀河系恆星形成速率、恆星擁有行星的比例、行星出現生命並發展成文明的比例等項。有些項的數值可以通過天文觀測給出，有些則只能估算。最終德雷克依據這個公式給出的結論是，銀河系中可與我們進行通信的文明數量，在1000到1億之間。然而我們卻沒有收到任何一個文明的信號，這應該如何解釋呢？

大過濾器

對費米悖論的解釋林林總總，可以分成兩大類：要麼其他文明存在，但他們出於某種原因並不願意與我們交流，要麼宇宙中根本就不存在除地球文明之外的的文明。

第一種解釋是許多科幻小說的靈感來源，比如在《三體》的背景設定中，宇宙中文明之間的交流會招來毀滅，所以文明總是傾向於隱藏自己，而不是張揚地廣播自己存在的信號。當然，也有可能不同文明的發展水平相差太大，無法交流。也許在高等文明看來，地球文明發出的信號彷彿我們眼中的螞蟻在交流一樣，並不能引起他們回信的興趣。

而後一種解釋似乎更有跡可循一些。如果地球文明是宇宙現階段存在的唯一文明，那麼我們就是第一批仰望星空的智慧生命，自然不會收到其他文明的信號。而這種解釋還需要回答的一個問題是，宇宙中適於誕生文明的行星如此之多，爲何人類成了第一批誕生的文明呢？有科學家提出了“大過濾器”（The Great Filter）假說，主張在誕生智慧文明的過程中，有一些關鍵環節的難度被我們嚴重低估了。這些環節起到了一種過濾器的作用，即使宇宙過去誕生過許多生命或是初級文明，它們也沒能跨過這些環節繼續發展下去。

大過濾器假說由羅賓·漢森（Robin Hanson）提出，他認爲生命從誕生到實現星際擴張，要經過9個環節，其中包括形成單細胞生命、多細胞生命，發展出較大腦容量，會使用工具等等。人類文明目前跨過了第8個環節，而第9個環節就是進行星際擴張。漢森認爲，這9個環節中至少有一個是非常難以跨越的，從而過濾掉了許多有潛力的文明。如果這個環節位於前8個當中，那麼人類可以鬆一口氣，或許我們已經度過了最艱難的階段，未來有可能走向太空。而如果這個環節就是第9個環節，那麼人類的未來或許不那麼美妙了：或許直到人類文明毀滅的那一天，我們也發展不出星際航行技術。

文明終將崩潰？

最近發表在《英國皇家學會界面雜誌》上的一項研究支持了過濾器處在第9個環節的說法。在論文的兩位作者看來，宇宙中誕生的文明在發展出星際航行技術之前，就很可能因爲人口爆炸而走向崩潰。

兩位作者援引了路易斯·貝當古（Luís Bettencourt）等人關於城市生長規律的一項研究，用來推測宇宙中文明的演化歷史。貝當古等人的研究指出，城市的能源消耗、財富創造可以看做是人口規模的冪函數，這有點像生物體的代謝速率與體積的關係。但不同的是，後一個冪函數的指數是小於1的，也就是說生物體體積越大，代謝速率越低；而前一個冪函數的指數是大於1的，即城市人口越多，城市的“代謝速率”越高。

基於這個規律，貝當古等人提出了描述城市人口演變的方程。

方程中N表示人口數量，Y0表示城市人口總資源需求，R爲人均資源需求，E爲新添加一個個體所需的資源，β爲城市“代謝速率”隨人口冪律變化的指數。

方程涉及城市總資源需求，和人均資源需求等參數。他們發現，只要城市代謝速率對人口的冪函數的指數是大於1的，人口規模在平穩增長一段時間後，總是會迅速地趨向無窮大。爲了避免城市人口太大而崩潰，人們每隔一段時間需要提出“創新技術”，提高資源利用效率，相當於調整了方程的參數，使人口過渡到下一個平穩增長的階段。但不幸的是，隨時間推移，留給人類調整的窗口期越來越短，當最終人類的創新速度跟不上人口趨向無窮大的速度時，城市人口還是會走向崩潰。

貝當古方程描述下，城市人口隨時間的變化規律。人口平穩增長一段時間後總是會迅速趨於無窮大，並且留給人類調整的時間窗口越來越短。（圖片來源：原論文）

本項研究的兩位作者認爲貝當古的城市研究結論可以推廣到宇宙文明上，文明自從誕生的第一天起，就要不停地與自發走向人口爆炸而崩潰的趨勢做鬥爭。而這個規律導致留給文明發展星際航行技術的窗口期非常短，兩位作者拿人類舉例，如果以書面語言的出現作爲人類文明的起點，在不到1萬年後，人類就將面對技術創新速度趕不上人口爆炸速度的困境。爲了文明長久的延續，作者建議宇宙中的文明不要花費時間在發展星際移民技術上，而是多研究如何將人口維持在一個穩定的規模，這樣一來也就沒有星際移民的需求了。

如果這篇文章的論證是可信的，那麼包括人類在內的各種文明，在跨過大過濾器假說的第9階段之前，都可能已經因人口爆炸而崩潰了。宇宙中誕生的各個文明，在還沒來得及發展出星際航行技術的時候，就已經消失在母星上。

不過，貝當古關於城市規模的規律真的能適用到形態可能差異極大的外星文明上嗎？甚至於，這種城市演化規律究竟有多大的普適性，也很成問題，爲何不能假設文明演化到某個階段後，可以擺脫不斷趨於人口爆炸的規律，而是以新的方程演化呢？或許比起解答費米悖論，這項研究更像是給科幻小說家們提供了新的點子。如果不到一萬年後人類文明也將面臨崩潰的命運，不如發揮想象力，推測一下當時的人類能依靠什麼辦法繼續存續下去。

參考文獻：

https：//royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsif.2022.0029

https：//www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.0610172104

本文轉自《環球科學》