从黑暗森林到银河联邦——费米悖论问题的新回答

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从黑暗森林到银河联邦——费米悖论问题的新回答

< 文章来源:科学松鼠会>

资讯小分队 发表于 2010-08-03 16:57


Fermi paradox 1.jpg

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。

Fermi paradox 2.png

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:

Fermi paradox 3.png

Bezsudnov-Snarskii不等式,Fermi paradox 4.png 是临界参数,

Fermi paradox 5.png

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。