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费米悖论

    要移民火星,人类成为星际殖民的物种,我们就会想到费米悖论。

    费米悖论是一个有关外星人、星际旅行的科学悖论,阐述的是对地外文明存在性的过高估计和缺少相关证据之间的矛盾。

    1950年的一天,诺贝尔奖获得者、物理学家费米在与别人讨论飞碟及外星人问题时,突然冒出一句:“他们都在哪儿呢?”这句问话引出的科学论题,被称为“费米悖论”。

    “费米悖论”的隐含之意是:理论上讲,人类能用100万年的时间飞往银河系各个星球,那么,外星人只要比人类早进化100万年,现在就应该来到地球了。换言之,“费米悖论”表明这样的悖论:A.外星人是存在的——科学推论可以证明,外星人的进化要远早于人类,应该已经来到地球并存在某处。B.外星人是不存在的——迄今,人类并未发现任何有关外星人存在的蛛丝马迹。

    在1950年的一次非正式讨论中,诺贝尔奖获得者、物理学家费米在和别人讨论飞碟及外星人的问题时,突然冒出一句:“他们都在哪儿呢?”,如果银河系存在大量先进的地外文明,那么为什么连飞船或者探测器之类的证据都看不到。

    对这个话题更加具体的探讨最早出现在1975年麦克·哈特的文章中,有时也被叫做麦克·哈特悖论。另一个紧密相关的问题是大沉默——即使难以星际旅行,如果生命是普遍存在的话,为什么我们探测不到电磁信号?

    有人尝试通过寻找地外文明的证据来解决费米悖论,也提出这些生命可能不具备人类的智慧。也有学者认为高等地外文明根本不存在,或者非常稀少以至于人类不可能联系得上。地球殊异假说有时被认为为费米悖论提供了一种解释的答案。

    从哈特开始,很多人开始发展关于地外文明的科学理论或模型,大部分工作都引用费米悖论作为参考。很多相关的问题已经得到重视,内容包括天文学、生物学、生态学和哲学。新兴的天体生物学给问题的解决引入了跨学科的研究手段。

    “费米悖论”自成,在天文学界就有着相当的影响,因为它是基于科学探知的事实:古老的银河系,已有约100多亿年的年龄,而银河系的空间直径却只有大约10万光年,就是说,即使外星人仅以光速的千分之一翱翔太空,他们也不过只需1亿年左右的时间就可以横穿银河系——这个时间远远短于银河系的年龄。而且仅从数学概率上分析,在浩瀚的宇宙里,应该有着众多的类似地球的适合于生命存在的星体。并且这其中,有些星体的年龄要远远大于地球,因此,它们上面的生命进化,也要远远早于地球上的人类。

    “费米悖论”生成几十年来,人类对太空的探索已有长足的进展。宇宙飞船已经参观或探测了太阳系中绝大部分的行星及其主要卫星,天文学家还追踪了成千上万颗星球发出的微波信号。但是,这些搜寻行动一无所获,人类并没有发现能够证明外星人存在的生命信号。“费米悖论”的实质就是否定外星文明的存在:既然我们至今还未发现外星人的蛛丝马迹,为什么还要相信它呢?

    “费米悖论”在天文学界广有市场,许多著名的科学家对此持赞成的态度。

    费米悖论的原因

    太阳系围绕银河系中心公转速度大概是220Km/s,假设太阳系奔向巨引源的速度是588Km/s,那么目前太阳系在宇宙中的绝对速度就是368Km/s,就是这个速度产生了万有引力。

    而光速是30万千米每秒,从我的万有力公式上可以得到,如果地球的速度达到光速意味着,引力变大近66万倍。人类无法承受这样的引力作用。

    那么像刘慈欣在《流浪地球》中描述的地球以千分之五的光速向另一颗恒星进发,进行星际旅行是否可行呢?

    地球速度达到光速的千分之五,意味着地球引力将是现在的16.6倍。而人类能够承受的地球引力也是有范围的,那么它应该处于怎样的范围呢?引力必然不能太大,如果它的引力太大,我们的血液会被拉到腿上,我们的骨头可能会断裂,我们甚至会无助地被钉在地上。

    一篇论文中,三位物理学家声称人类能够长期生存的最大引力是地球引力的4.5倍。

    克罗地亚萨格勒布大学的教授波尔杰克和他的同事们首先计算了人体骨骼的抗压强度,以此来计算出人体能承受的最大引力。根据哺乳动物的平均骨骼,他们估计人类骨骼可以承受超过地球重力90倍的重力。但这是它静止时的力量。一旦我们开始跑步,骨骼上的压力,当它们弯曲时会增加10倍。这意味着我们可以在一个重力场大约是地球的10倍的行星上运行,然后我们的骨头开始破裂。

    按照这个计算,“流浪地球”的最大速度(绝对速度)不能超过光速的千分之二点七。即地球最多只能以目前在宇宙中的绝对速度368Km/s的2.2倍即800Km/s在太空中旅行。

    离太阳系最近的恒星比邻星距离地球大约是4.2光年,流浪地球按照人类能承受的引力极限,目前的4.5倍引力进行太空旅行,也要近1600年才能到达比邻星。

    这也是“费米悖论”的一个答案,银河系直径有10万光年,恒星之间相距遥远,以光年计,受限于引力,“流浪地球”的最大速度不能超过光速的千分之二点七。既使在银河系的其它恒星系的行星上有智慧生物,他们有带着行星星际旅行的能力,他们也没有办法带着行星以光速旅行,来到太阳系中。因为“流浪地球”以光速旅行引力将变大66万倍,没有生命能在这样的引力下生存。

    另外,行星演化出智慧生物,并能够长期生存这也是一件很困难的事。例如,地球随太阳系在围绕银心公转中,引力是变化的。正是这个引力的剧变,促使了生物的演化,这就是地质学和古生物学上的灾变,生命并不是如达尔文所认为的缓慢渐进式演化,而是主要在太阳系引力剧烈变化中快速演化。这也就是“间断平衡”理论所描述的那样。太阳系引力剧烈变化会促使生物快速演化,也会使生物大灭绝。例如哺乳动物的祖先——似哺乳类爬行动物在太阳系运行到近银心点时,地球引力变大到目前的4.8倍而发生大灭绝,只留下了一支演化成了哺乳动物和人类。在6600万年后太阳系再次运行到近银心点时,引力变大到目前的4.8倍,哺乳动物和人类可能与其祖先似哺乳爬行动物一样再次灭绝。所以智慧生物在行星上存在的时间可能只有几千万年。

    外星人也无法乘坐飞船以光速旅行,当运动速度达到或接近光速时,生物体内的原子就会变成高能原子。高能原子,是动能显著高于热能的一类原子。因其能量高于化学键能,故可引发化学反应。当外星人乘坐飞船以接近光速旅行时,身体会因为高能原子的化学反应而自毁。

    所以,既使银河系中有很多其它智慧生物——外星人,他们也很难来到地球。

    我们可以称这个为“引力禁锢”,人类和外星人都被引力禁锢在他们的母星系,没有办法突破引力的限制去外恒星系旅行。这可能就是费米悖论的答案,既使银河系和河外星系中有大量的智慧生物——外星人,他们也不可能来到地球。

    “引力禁锢”这看起来有点令人绝望,但恒星会走向死亡,星系会走向死亡,宇宙也会走向死亡——热寂。既使智慧生物能从一个恒星系星际旅行到另一个恒星系,甚至从一个旋涡星系星际旅行到另一个旋涡星系,那又能怎样?宇宙最终会走向热寂,所有的旋涡星系、椭圆星系(由旋涡星系并合演化而来)都将不复存在。这个宇宙中万事万物都有终点,包括宇宙本身都逃不过走向终点的命运。宇宙中的一切物质、能量都来自虚无,最终走向虚无。

    宇宙演化出来的所有智慧生物,我们还是在自己的母星系中各自安好吧!被“引力禁锢”,也未免不是一件好事,这样也就不会出现星际殖民和星际战争了,也不用担心所谓的“黑暗森林”法则了。

    黑暗森林法则:一旦某个文明被发现,就必然遭到其他文明的打击。

    一旦被发现,能生存下来的只有一方,或者都不能生存。

    可以从地球中的国家间文明发展,以小看大分析宇宙文明发展方向。

    宇宙就是一座黑暗森林,每个文明都是带枪的猎人,像幽灵般潜行于林间,轻轻拨开挡路的树枝,竭力不让脚步发出一点儿声音,连呼吸都必须小心翼翼。他必须小心,因为林中到处都有与他一样潜行的猎人,如果他发现了别的生命,能做的只有一件事:开枪消灭。在这片森林中,他人就是地狱,就是永恒的威胁,任何暴露自己存在的生命都将很快被消灭,这就是宇宙文明的图景,这也是对费米悖论的一种解释。

    黑暗森林法则是科幻小说作家刘慈欣在《三体II黑暗森林》引入的法则。

    如果地球质量再大一点或者银河系奔向巨引源的速度更快一点,人类就不会存在。

    似哺乳类爬行动物(Mammal-likereptile)是一群史前动物,是哺乳类动物的祖先。

    距今2.5亿年前的三叠纪,地球上的绝对统治者是那些似哺乳类爬行动物。当时,它们遍布地球的各个角落,自由驰骋、横行无忌。然而,3000万年后,这些似哺乳类爬行动物却迅速衰落,以致几乎绝迹,只剩下一支后裔在地球上艰难度日,留给世人无尽的意外和困惑。

    在太阳系运行到近银心点时,太阳系引力最大,地球引力最大,经过计算引力变大到现在的4.8倍,似哺乳类爬行动物(哺乳类动物的祖先)承受不了地球太大的引力而灭绝了,只剩下一支后裔在地球上艰难度日,演化出了哺乳动物和人类。

    如果地球质量再大一点或者银河系奔向巨引源的速度更快一点,在近银心点地球的引力更大,似哺乳爬行动物全部灭绝,人类就不会存在,地球将演化不出智慧生物。

    所以宇宙中虽然有无数的恒星和行星,但要演化出智慧生物却是一件很困难的事情。生物演化并不是达尔文的缓慢渐进式演化,而更多的是各种灾变促使生物演化,既然是灾变就充满了各种偶然不确定性因素,所以智慧生物的出现是各种偶然因素的结果,在宜居带上适合生命生存的行星上并不是一定就能够演化出智慧生物。这可能也是费米悖论的一个答案。

    银河系内类地行星,要演化出哺乳动物和智慧生物,质量上限可能是1M⊕。大于地球质量,在近银心点,引力大于目前地球引力4.8倍,似哺乳爬行动物无法承受这样的引力环境,将全部灭绝,无法演化出哺乳动物和智慧生物。所以那些大于地球质量的超级地球,都不可能存在智慧生物。

    太阳系引力变化,未来人类可能需要在地球和火星之间迁徙。