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为什么我们还没遇到外星人？ sqybi 2012-03-28 23:34:42
地球会在宇宙中孤独终老吗？为什么我们还没遇到外星人？科学家们对此做过很多解释，比如今天我们要介绍的“文明扩张”模型就是其中之一。
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 < n < 1）的概率产生一个文明；
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。
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：
因为 T 0 远大于 1，我们可以做如下估算：
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：
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：
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
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