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我们能遇到外星人,并与他们共同发展成银河联邦吗?物理学家利用元胞自动机建模研究了宇宙中文明向外扩张的模式,提出了孤立文明是否能相互接触,并发展成遍布整个宇宙的超级文明的不等式,由此对费米悖论这一古老问题提出了全新解读。

1950年,意大利物理学家费米提出了这样一个问题:如果宇宙中存在技术远远超出人类的外星智慧文明,那么,为什么我们还未能观察到这种超级文明?这个问题现在被称为费米悖论

来做这样一项粗糙的估计:银河系直径约为10万光年,一个高度智慧的文明,即使以千分之一的光速的速度飞行,也只需要一亿年即可横穿银河系,这个时间远小于银河系的年龄(100亿年)。因此,比人类早出现的智慧文明,如果向外传播的话,到今天应该早已遍及银河系甚至整个宇宙了。其中一个可能的实现方式是冯·诺依曼自动机,一种可以自我复制的机器:外星文明向外发射许多微型自动机,遇到合适的环境比如行星和卫星,彗星等后降落,采集原材料并制造出下一代自动机;然后以降落点为出发点,继续向外扩张。这样的自动机在50万年内就可以探测完银河系大小的星系(小编的问题:这种自动机可以达到光速的 1/5?  现在人类有没有制造冯.诺依曼机的技术?这几句是不是有道理似乎不太好判断)。如果银河系内有文明比我们领先哪怕50万年,我们也应该已观察到该智慧文明。

到今天为止,人类对宇宙的探索已经取得长足发展,在太阳系以内,所有行星和多个重要卫星都有飞船去勘察,对于小行星和彗星人类也发射过专门的探测器去进行研究;对太阳系以外的星体,人类一直在聆听来自它们的无线电信号;我们甚至可以直接用望远镜观测比较近的一些恒星,从恒星的光强和光谱中发现绕它们运行的行星,分析行星的大小,结构,大气成分,表面温度等信息。所有这些搜寻行动至今都没有发现外星文明的迹象。

对于费米悖论,存在很多解释。很多人认为,在发展出能与其他文明进行接触的技术,比如无线电技术或者太空飞行技术以后,技术文明会在短时间内(约一个世纪)自我毁灭,因此大大降低与外界接触的几率。这种自我毁灭在科幻小说和影片中有着丰富多彩的描述。科幻作家刘慈欣则提出了黑暗森林法则,认为文明之间为了保护自己不被其他文明灭绝而相互躲避,避免暴露自己的存在。

最近俄罗斯的Igor Bezsudnov和乌克兰国立技术大学的Andrey Snarski提出一项新的解释。他们的理论基于这样一个基本假设:文明单靠自身无法进行无限扩张,孤立的文明的发展会达到一个巅峰,之后终将灭亡或者崩溃。每个文明都有特定的寿命时间。衰退的主要原因是技术发展的限制,失去对外扩张的兴趣,与外界终止接触,获取不了新的技术和资源。由此他们提出一种与黑暗森林相反的法则:当文明之间在空间和时间上足够靠近时,会发生相互接触,思想和文化的相互交流将促进彼此的发展并增加文明存在的时间。

为了研究文明向外的扩张模式,他们用元胞自动机来模拟智慧文明的扩张行为,如下图所示。假设文明按照一定的几率形成,随着时间向外扩张,在宇宙中所占据的空间体积增加并达到极值,随后体积减小,最后塌缩,文明死亡。与外界文明的接触会增大各自的生存时间和占据的空间体积。

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图为元胞自动机的说明:不同的色块代表不同的文明,色块的面积表征了该文明在宇宙中所占据的空间体积,如果不与其他文明接触,体积将先增大,达到极大值后再减小到零,与其他色块接触则会增大各色块的面积,从而增加其存在时间。

在这一模型中,可调参数为宇宙中文明出现在每个格子的概率n(0<n<1),不同的孤立文明的寿命T0,文明间相互接触后的寿命Tb(Tb>T0)。Bezsudnov和Snarskii发现,选取某些特定的参数选取不同的参数,文明的演化模式会从文明之间相互不发生联系各自,并独自衰退状态,演化到各文明相互接触并共同演化成一个遍及整个宇宙的长寿文明状态。那么,在什么情况下各文明才能相互接触,融合,遍及整个宇宙呢?Bezsudnov和Snarskii提出了这样一个不等式:wps_clip_image-22276[4]

Bezsudnov-Snarskii不等式,image 是临界参数,

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那么,我们所处的宇宙发展到什么阶段了呢?逐渐融合成银河联邦这样的超级文明吗?Bezsudnov-和Snarskii的态度很谨慎,他们认为,我们还需要进行更多的观测来确定各参数的数值,来判断我们的宇宙是是否满足上述不等式。

没错,这个“费米悖论”中的费米就是松鼠哈林计算柴静姑娘手速时说到的“费米问题”中的那个费米。费米是同一个费米,可“费米悖论”和“费米问题”却是两码事。话说这个费米有一天和几个科学家朋友吃午饭,闲聊起了最近新闻上的UFO。几个Geeks不像一般人那样简单的信或者不信,而是用自己的方法进行推理。估算是费米的强项,“费米问题”就是讲这个的嘛。费米在脑子里简单估算了一下,发现理论上外星人应该早就到过地球好几次了!而且从其他的角度,无论是宇宙的尺度还是年龄什么的都可以看做是地外文明存在的暗示。可是,他们在哪里?为什么我们独独没有找到或被找到呢?这便是“费米悖论”了。

为了能够证实地外文明的存在,或者是解释“费米悖论”,很多科学家都投身到了这项研究当中,松鼠Sheldon觉得这个方法只是众多尝试性研究当中比较有趣的一个。作为物理学之类的“硬”科学,时常都是“一将功成万骨枯”。我们在教科书上学到的理论看似确定无疑,但如果倒退些年头,恐怕只是众多不确定理论当中的一个而已,幸运在大多数同时代的理论都被证明有误、无情地枪毙了。目前所做的研究当中,绝大多数将会被证明为错误的研究。只有少数会被保留下来,写入未来孩子们的教科书里。但问题是,我们不知道哪一个会被保留。因此,不能放过任何一种可能,继续在未来的谬误中前行!

相对比较“软”的心理学就不需要那么悲壮了。心理学理论更像是盲人摸象,大家都是某种程度地对的,互相学习,互相补充。基本属于铁饭碗,不用担心砸了,顶多是被打入冷宫。

也别把科学家都想得太高深莫测了。松鼠沐右自爆行业内幕:本研究思路只是计算机模拟方面的科学家们在论文生产流水线上的一个通用模式。你可能已经听说过用计算机模拟生态系统、气候变化之类的先例了,所谓费米也不例外,无非是把复杂问题转化为极其简单的模型。只要能够解出问题的大方向(定性),甚至都不用给出具体数字(定量)就可以发表了。这些研究往往没多大实际价值,不过也不失为一个新观点,于是科学家便可以申请基金,发表论文了。

消息来源:Technology Review网站7月26日报道相关论文

作者:肖能超

审稿:沐右

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22 Responses to “从黑暗森林到银河联邦——对费米悖论的新回答”

  1. diesirae说道:

    自动机数量众多向各个方向扩散,探索范围是一个球体,因此体积达到银河系规模时其直径远远不需要10万光年

    • 沐右说道:

      那说宇宙飞船一亿年飞跨银河系,速度千分之一光速,是飞的直线啊。
      再说怎么说,达到银河系的体积的话。银河系直径10万光年,厚度1.2万光年,换算成球体直径也要5万多光年呢。那自动机也要达到十分之一的光速才行。

      • cs说道:

        50万年这个数字来自wikipedia的一段文字:

        It has been theorized that a self-replicating starship utilizing relatively conventional theoretical methods of interstellar travel (i.e. no exotic faster-than-light propulsion such as "warp drive", and speeds limited to an "average cruising speed" of 0.1c.) could spread throughout a galaxy the size of the Milky Way in as little as half a million years.[2]
        其中资料[2]为:
        http://www.rfreitas.com/Astro/ComparisonReproNov1980.htm

        Abstract:Bracewell has suggested the use of nonreproducing messenger probes for interstellar exploration, and Freitas has examined the feasibility of self-reproducing automated devices in the same context. The present paper compares reproducing and nonreproducing strategies for missions of interstellar and galactic discovery. Self- reproducing probes are found to be the method of choice for active exploration programs lasting > 104 years, involving searches of > 106 target stars to distances > 1000 light-years in the Galactic Disk, and are superior to one-shot "Bracewell-probes" for searches of > 103 stars to distances > 100 light-years in the Galactic Disk. Any nonreproducing alien probes discovered in the Solar System during the normal course of future SETI research would most likely have been sent by extraterrestrial civilizations located within a ~1000 light-year radius of the Sun, whereas any self-reproducing devices similarly detected probably originated far outside this exploration sphere.

  2. biohu说道:

    费米悖论是个很纠结的问题,但是我对此新观点不敢苟同。

  3. 春歌的猫说道:

    其他,得文明已经融合成大联邦了么,为什么还未覆盖接触到我们?

    • 氘仔说道:

      就快了!

    • 无头学姐异闻录说道:

      刚看完《魔法少女小圆》,这片子对费米悖论的解释是我们现在已经是银河文明的一员了,整个历史实际上根本没离开过外星文明,以至于人们习以为常从未意识到。

    • 真漂亮说道:

      你同时喜欢老鼠,你会把他们关到一个笼子里吗?

  4. 说道:

    人类科技的发展会被其他文明遏制的,如今的人类是黑暗森林中一个生着篝火正呼唤着同伴的孩子,已经有无数个“同伴”正从瞄准镜里窥探着我们,只要我们有制造弓箭的动作,他们就会果断按下板机………

  5. 叮叮当当说道:

    这个解释我很满意,符合我国传统文化的“盛极而衰,阴晴圆缺”的理念。以前一直觉得黑森林法则虽然逻辑上很完美,但是还是感觉怪怪的。任何事物达到一定的程度都会发生自发的坍塌,嗯~

  6. hazelx2说道:

    我觉得俄罗斯的那个理论没有什么意思,标准的纸上谈兵,而且逻辑极为混乱。

    纯粹的个人观点,当一个文明向宇宙扩张,必然就在文明内部出现差异,扩张的范围越大,那么各个地区(或者说星区?)之间的差距就越大。而且由于同文同种,交流的可能性远远大于可能完全不同的文明,这样一来文明内部就产生了互相的交流促进。

    另外所谓文明自动崩溃?怎么可能?停滞是有可能的,说要崩溃,怎么崩?

    • watchmen说道:

      文明崩溃不能理解吗?资源耗尽、内部战争、突来的天文灾变都足以摧毁一个星球的文明。

  7. 去还归说道:

    说不定我们已经被圈养观察了~

  8. 说道:

    人类经历了300年的工业文明。其间有自动机式的扩张:殖民和技术扩张。但前提是市场是无限大的。当意识到资源有限后,人类进入了生态文明,停止了粗犷扩张。我以为除非收到外界文明扩张的挑战,本文明会停止扩张。这是黑暗森林没有考虑到的因素。

  9. Twitter观光团说道:

    以人类的智慧,不可能与外星人合作的.你懂我的意思吗?

  10. [...] 最近对费米悖论有了新回答,没错,这个“费米悖论”中的费米就是松鼠哈林在 计算柴静姑娘手速时说到的“费米问题”中的那个费米。费米是同一个费米,可“费米悖论”和“费米问题”却是两码事。话说这个费米有一天和几个科学家朋友吃午饭,闲聊起了最近新闻上的UFO。几个Geeks不像一般人那样简单的信或者不信,而是用自己的方法进行推理。估算是费米的强项,“费米问题”就是讲这个的嘛。费米在脑子里简单估算了一下,发现理论上外星人应该早就到过地球好几次了!而且从其他的角度,无论是宇宙的尺度还是年龄什么的都可以看做是地外文明存在的暗示。可是,他们在哪里?为什么我们独独没有找到或被找到呢?这便是“费米悖论”了。 [...]

  11. iamqk说道:

    关于费米:太高估人类的科技能力,才1k颗行星,5颗宜居,观察到文明?除非人来找你,而文字和无线电的发生分别为5k和百年左右,按照最大光速的理论,才传出去很小,因此外来也没有可能

  12. 孤寂说道:

    俄罗斯所说的逆黑暗森林原则,必须建立在两个文明互相存有善意,否则……

    • 匿名说道:

      还可能是两个文明接触后互相没揍死对方最后迫不得已融合了啊

  13. 匿名说道:

    宇宙是即时的,我们看到的不是即时的,光的传播也是需要时间。我们用天文器材观测到的星体并不是它们现在的样子,而是古老时代的样子。越是远的星球,我们看的到就是越古老的,所以怎么会观测到外星人

  14. 张召忠说道:

    卧槽,牛逼

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