本文转载自公众号“环球科学”
撰文 白德凡
审校 王昱
我们的地球不过是宇宙中的一个角落，那么以宇宙广袤与悠久，宇宙中其他地方也存在文明的概率，要远大于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里？为什么我们至今还没有观察到它们存在的确切证据呢？
不只是科幻作家关心这个问题，它还是一个严肃的科学问题。这个问题最早由物理学家恩利克·费米（Enrico Fermi）在 1950 年提出，他还试图用粗略的计算表明外星文明早已访问过地球。费米主张，银河系中有数百亿颗类似太阳的恒星，它们周围很可能有宜居的类地行星。在这样巨大的数量下，即使文明诞生的概率很小，可能存在文明的数量依然可观。而这些文明可能已经发展了数十亿年，一旦他们恒星系统的资源被耗尽，必然要进行星际移民。按理说宇宙中应该充斥着文明移民的痕迹，但为什么我们至今没有观测到任何证据呢？这个问题后来被称为“费米悖论”（Fermi paradox）。
费米悖论提出后，有科学家希望量化一下外星文明存在的可能性。1961 年，天文学家弗兰克·德雷克（Frank Drake）提出了一个公式，用来估算银河系中可与我们进行通信的文明数量。这个公式涉及银河系恒星形成速率、恒星拥有行星的比例、行星出现生命并发展成文明的比例等项。有些项的数值可以通过天文观测给出，有些则只能估算。最终德雷克依据这个公式给出的结论是，银河系中可与我们进行通信的文明数量，在 1000 到 1 亿之间。然而我们却没有收到任何一个文明的信号，这应该如何解释呢？
大过滤器
对费米悖论的解释林林总总，可以分成两大类：要么其他文明存在，但他们出于某种原因并不愿意与我们交流，要么宇宙中根本就不存在除地球文明之外的的文明。
第一种解释是许多科幻小说的灵感来源，比如在《三体》的背景设定中，宇宙中文明之间的交流会招来毁灭，所以文明总是倾向于隐藏自己，而不是张扬地广播自己存在的信号。当然，也有可能不同文明的发展水平相差太大，无法交流。也许在高等文明看来，地球文明发出的信号仿佛我们眼中的蚂蚁在交流一样，并不能引起他们回信的兴趣。
图片来源：Unsplash
而后一种解释似乎更有迹可循一些。如果地球文明是宇宙现阶段存在的唯一文明，那么我们就是第一批仰望星空的智慧生命，自然不会收到其他文明的信号。而这种解释还需要回答的一个问题是，宇宙中适于诞生文明的行星如此之多，为何人类成了第一批诞生的文明呢？有科学家提出了“大过滤器”（The Great Filter）假说，主张在诞生智慧文明的过程中，有一些关键环节的难度被我们严重低估了。这些环节起到了一种过滤器的作用，即使宇宙过去诞生过许多生命或是初级文明，它们也没能跨过这些环节继续发展下去。
大过滤器假说由罗宾·汉森（Robin Hanson）提出，他认为生命从诞生到实现星际扩张，要经过 9 个环节，其中包括形成单细胞生命、多细胞生命，发展出较大脑容量，会使用工具等等。人类文明目前跨过了第 8 个环节，而第 9 个环节就是进行星际扩张。汉森认为，这 9 个环节中至少有一个是非常难以跨越的，从而过滤掉了许多有潜力的文明。如果这个环节位于前 8 个当中，那么人类可以松一口气，或许我们已经度过了最艰难的阶段，未来有可能走向太空。而如果这个环节就是第 9 个环节，那么人类的未来或许不那么美妙了：或许直到人类文明毁灭的那一天，我们也发展不出星际航行技术。
文明终将崩溃？
最近发表在《英国皇家学会界面杂志》（Journal of The Royal Society Interface）上的一项研究支持了过滤器处在第 9 个环节的说法。在论文的两位作者看来，宇宙中诞生的文明在发展出星际航行技术之前，就很可能因为人口爆炸而走向崩溃。
两位作者援引了路易斯·贝当古（Luís Bettencourt）等人关于城市生长规律的一项研究，用来推测宇宙中文明的演化历史。贝当古等人的研究指出，城市的能源消耗、财富创造可以看做是人口规模的幂函数，这有点像生物体的代谢速率与体积的关系。但不同的是，后一个幂函数的指数是小于 1 的，也就是说生物体体积越大，代谢速率越低；而前一个幂函数的指数是大于 1 的，即城市人口越多，城市的“代谢速率”越高。
基于这个规律，贝当古等人提出了描述城市人口演变的方程。
方程中N表示人口数量，Y0表示城市人口总资源需求，R为人均资源需求，E为新添加一个个体所需的资源，β为城市“代谢速率”随人口幂律变化的指数。
方程涉及城市总资源需求，和人均资源需求等参数。他们发现，只要城市代谢速率对人口的幂函数的指数是大于1的，人口规模在平稳增长一段时间后，总是会迅速地趋向无穷大。为了避免城市人口太大而崩溃，人们每隔一段时间需要提出“创新技术”，提高资源利用效率，相当于调整了方程的参数，使人口过渡到下一个平稳增长的阶段。但不幸的是，随时间推移，留给人类调整的窗口期越来越短，当最终人类的创新速度跟不上人口趋向无穷大的速度时，城市人口还是会走向崩溃。
贝当古方程描述下，城市人口随时间的变化规律。人口平稳增长一段时间后总是会迅速趋于无穷大，并且留给人类调整的时间窗口越来越短。（图片来源：原论文）
本项研究的两位作者认为贝当古的城市研究结论可以推广到宇宙文明上，文明自从诞生的第一天起，就要不停地与自发走向人口爆炸而崩溃的趋势做斗争。而这个规律导致留给文明发展星际航行技术的窗口期非常短，两位作者拿人类举例，如果以书面语言的出现作为人类文明的起点，在不到 1 万年后，人类就将面对技术创新速度赶不上人口爆炸速度的困境。为了文明长久的延续，作者建议宇宙中的文明不要花费时间在发展星际移民技术上，而是多研究如何将人口维持在一个稳定的规模，这样一来也就没有星际移民的需求了。
如果这篇文章的论证是可信的，那么包括人类在内的各种文明，在跨过大过滤器假说的第 9 阶段之前，都可能已经因人口爆炸而崩溃了。宇宙中诞生的各个文明，在还没来得及发展出星际航行技术的时候，就已经消失在母星上。
不过，贝当古关于城市规模的规律真的能适用到形态可能差异极大的外星文明上吗？甚至于，这种城市演化规律究竟有多大的普适性，也很成问题，为何不能假设文明演化到某个阶段后，可以摆脱不断趋于人口爆炸的规律，而是以新的方程演化呢？或许比起解答费米悖论，这项研究更像是给科幻小说家们提供了新的点子。如果不到一万年后人类文明也将面临崩溃的命运，不如发挥想象力，推测一下当时的人类能依靠什么办法继续存续下去。
相关论文：
Asymptotic burnout and homeostatic awakening: a possible solution to the Fermi paradox? Wong Michael L. and Bartlett Stuart. J. R. Soc. Interface. 19:20220029. 20220029
http://doi.org/10.1098/rsif.2022.0029
Growth, innovation, scaling, and the pace of life in cities. Luís M. A. Bettencourt, José Lobo, Dirk Helbing, Christian Kühnert, and Geoffrey B. West. PNAS. April 24, 2007104(17)7301-7306
联系客服
