宇宙已經140億歲了，多少文明存在又消亡過，為何沒有文明通過蟲洞找到我們？

科技 08-01

這個問題可以歸於兩個比較有名的思考：費米悖論和大沉默。

關於費米悖論

費米悖論：

Fermi paradox，又稱費米謬論，闡述的是對地外文明存在性的過高估計和缺少相關證據之間的矛盾。宇宙驚人的年齡和龐大的星體數量意味著，除非地球是一個特殊的例子，否則地外生命應該廣泛存在。在1950年的一次非正式討論中，物理學家恩里科·費米問道，如果銀河系存在大量先進的地外文明，那麼為什麼連飛船或者探測器之類的證據都看不到。對這個話題更加具體的探討最早出現在1975年麥克·哈特的文章中，有時也被叫做麥克·哈特悖論。所以費米悖論講述的是有關尺度和概率的論點和稀缺的證據之間的矛盾，即宇宙顯著的尺度和年齡意味著高等地外文明應該存在。（引自Fermi paradox）

下面從兩個方面來展開費米悖論，各位讀者爆米花準備：

1、費米悖論Part 1（內容簡介）：

可觀測宇宙的直徑大約有900億光年。至少有1000億個星系，每個星系擁有大概1000億到10000億顆恆星。

最近，我們已經了解到，行星是非常普遍的。我們的宇宙中可能有上萬億的適宜居住的行星。

這意味著生命存在和發展的機會很大，不是嗎？

但它在哪裡呢？

難道宇宙中不是應該充滿宇宙飛船和星空戰艦嗎？

讓我們退一步想想。

即使有其他星系存在外星文明，我們完全沒有辦法知道他們的存在。就我們所知，銀河系和近鄰星團被稱為「本星系群」(the local group)，所有在這之外的星系我們基本上永遠不會接觸到，這是因為我們的宇宙在膨脹。

即使我們有非常快的飛船，說起來也要花好幾億年的時間才能穿過宇宙中最空曠的地方到達本星系群之外的星系。

所以，我們把注意力放在銀河繫上。銀河系是我們的家園，它包含了多達4千億顆恆星。整個可觀測宇宙的恆星數量之多，大約是地球上的每一粒沙子可以對應其中的一萬顆恆星。

在銀河系中，大約有200億顆跟太陽相似的恆星。估算表明這些恆星中有五分之一處在宜居帶的類地行星。宜居帶就是恆星周圍適合生命存在的軌道區域。

假設這些行星中只有0.1%有生命，那麼整個銀河系中有100萬的行星上會有生命存在。

（參考德雷克方程，http://suo.im/Kfniz）

等等，銀河系大約有130億年的歷史，最開始的時候，銀河系並不是一個適合生命存在的地方，這是因為很多東西在爆炸，但是，在銀河系誕生後的10到20億年，第一顆宜居行星就會誕生了。

地球只有40億年的歷史，所以有數不盡的可能性，生命在其它的行星上也誕生了。

即使只有一種生命發展出了太空旅行的科技文明，我們現在就已經注意到他們了，或者我們就已經被注意到了。那麼，這樣的科技文明是什麼樣的呢？

我們根據卡爾達肖夫指數（Kardashev scale），把他們分成了三類：

I 型文明

一個I型的文明可以使用他們星球上所有的能源。

如果你想知道人類目前的狀態的話，我們大約處在I型文明的73%左右。在接下來的幾百年間，我們應該會達到I型的文明水準。

II 型文明

II型文明可以使用他們的宿主恆星的所有能源。

實現這些目前可能需要一些科幻，但是原則上是可行的。戴森球就是這樣一個可行的概念：一個環繞其恆星的系統結構。

III 型文明

III型文明基本上可以控制整個星系並使用它的能源。

但是為什麼我們不能夠一開始就看到這樣的文明呢？

如果我們要建造可以承載足夠生活幾千年人口的飛船，我們可以在200萬年之內殖民整個星系。聽起來像是一個很長的時間，但是請記住，銀河系很大哦。

所以殖民整個星系需要花費幾百萬年的時間，而且銀河系中可能有不下數十億的適合生命的行星，這些其它的生命比我們要誕生的早的多，那麼，這些外星人都去哪裡了呢？

這就是費米悖論，並且沒有人能給出答案。

不過，我們有一些猜想。我們來聊聊大過濾（the great filter）吧。在這個語境中，過濾器指的是生命很難度過的障礙。在很多中情況下，它都顯得都很可怕。

第一種，存在大過濾器，並且我們已經克服了它們。

也許複雜的生命發展起來要比我們想像的要難得多。到現在，科學上的生命起源過程都沒有完全弄明白，也許這個過程要求的條件非常複雜。

也許過去的宇宙對於生命的形成充滿了敵意，只是最近的情況才變得友好，複雜的生命才可以存在。

這可能意味著我們就是獨一無二的，或者是宇宙中的第一批文明——是否是整個宇宙第一個文明就不可知了。

第二種，存在大過濾器，而且它們就在我們的前面。

這一條就真的很可怕了，也許像我們這樣水平的生命在宇宙中到處都有，不過到了一個特定的水平，相應的文明就被毀滅了，也許這個過濾器就在我們的前面。

例如，在未來，有了很牛的科技，而這種科技全然超出了我們的預料與掌控（參考Technological singularity，技術奇點），在不斷的誤用之後，它就把整個行星給毀滅了。

每一個先進文明的最後一句話可能就是：「只要我按下這個按鈕，這個新的裝置就會解決我們所有的問題。」

如果這個是真的話，那麼我們更接近人類文明的末日，而不是人類的開端。又或許存在一個古老的III型文明，他們監視著整個宇宙，一旦一個文明變得足夠先進，它就被立刻剷除掉了。

也許對於可能的某種存在，我們還是不發現的要好（然而旅行者號已經發出了「聲音」）。

最後一個想法，也許我們就是孤單的。

目前說來，我們並沒有任何的證據表明除了我們之外還有其他的（智慧）生命。

外面什麼也沒有，宇宙看起來如死寂一般。沒有人給我們發送信息，也沒有人回答我們的呼喚。我們可能是完完全全的孤單一人，被困在濕漉漉的泥球上，周圍是永恆的宇宙。

這個想法嚇壞你了嗎？

如果是的話，你的反應是正確的。

如果我們讓這個星球上的文明死去的話，也許整個宇宙就再也沒有生命了。

在我們的宇宙中，生命可能就從此一去不復返。

如果是這樣的話，我們只需要大膽的飛向宇宙，並成為第一個III型文明，讓生命之火在宇宙之中蔓延，直到這個宇宙的最後一刻。

宇宙如此美麗，如果沒有人來品味的話，也是太可惜了。

2、費米悖論Part 2（一些思考）：

1. 思考A

太空旅行非常難，雖然有可能，但前往其他恆星仍是一個巨大的挑戰：

（1）大量的材料必須被送入軌道和組裝。另外，幾千年的「長途」旅程所裝帶的人口，也會成為這一技術的阻礙。

（2）目的星球也絕不如同它從遠方看起來的那般好客。

（3）造成的星際入侵，也許也無法避免。（對於其他種族的星際空間的無意闖入）

（4）還需要考慮時間，宇宙已經很老了，在地球上，生命存在了至少36億年，而根據考苦學推斷的所謂智人在約25萬年前出現，但是大約僅一個世紀，我們才有遠距離通信技術。

2. 思考B

當然了，拋開上面的困境不說，也許已經有盛大的外星人帝國鋪張在成千上萬的系統並存在了數百萬年，我們可能只是錯過了他們。

可能有偉岸的廢墟在遙遠的世界上腐朽。

地球上所有物種中的99%都滅絕了。人們很容易認為，這將是我們遲早要面對的命運。

智能生命可能發展，分布到幾個系統上，然後死光了，一遍又一遍的重複。但銀河文明可能永遠不會滿足。

所以也許對於宇宙中的生命，這會是統一的體驗：望著星星，並懷疑「大家在哪裡？」

但是沒有理由認為外星人和我們一樣，或者我們的邏輯也適合他們。這可能只是我們的溝通方式是非常原始和過時的。

想像一下，你坐在家裡用摩斯電碼發送器，持續不斷地發信息，但是沒有人會回應你。你覺得很孤獨，可能是因為我們仍然無法察覺智能生物。我們將會繼續這樣做，直到我們學會正常通信。

即使我們遇到外星人，我們間的差異也可能過大，以至於無法與他們以有意義的方式交流。

想像一下你所能想到的最聰明的松鼠，不管你多努力，你都無法把我們的社會解釋給它聽。畢竟，以松鼠的視角，一棵樹就像是自己需要生存的全部智慧。

因此，人類砍伐森林的舉動是瘋狂的，但不是因為我們恨松鼠而破壞森林，而是我們只想要資源，松鼠的願望和松鼠的生存都不是我們所關心的。

當III型文明需要資源時，可能就會以相同的方式對待我們。他們可能會蒸發我們的海洋，只是要使他們收集資源更方便一些。

一個外星人，可能會這樣想，「小小的猿們，他們建立真的很可愛的混凝土結構，哦，好吧，他們現在死了。」

但是，如果有一個文明，希望消除其他物種，它的動機更可能是殖民而不是經濟。

而且無論如何，他們藉有自動化流程，通過構建完美的武器，能使一切更有效率：

這可能是一種由納米儀器建造的，一個自我複製的空間探測器。他們儀器平台所操作的分子水平，是令人難以置信的快速和致命的，具有能在瞬間攻擊和摧毀任何事物的能力。

你只需要給他們四個指令：

一，找到一個有生命的星球；

二，拆解在這個星球上的一切，成為其組成元件；

三，使用資源來建造新的空間探測器；

四，重複上述過程。

像這樣的世界末日機器，可能在幾百萬年內就消除整個星系的生命。

3. 思考C

但是，為什麼你會想要飛行數光年遠，僅僅來收集資源或者造成種族滅絕？光的速度其實並不非常快，假如有人能以光速行進，穿越銀河一次仍然需要10萬年（配圖有錯忘見諒）：

有可能比摧毀文明和建造帝國更為愉快的事情：一個有趣的概念就是Matrioshaka大腦。這是一個圍繞恆星的巨大結構，而這種計算能力的電腦，可以讓一個種族上傳他們所有的意識和存在到模擬的宇宙。有可能，他們可以體驗到永遠純粹的狂喜，沒有出生或者悲傷，一個完美的人生。

如果它的建成地是圍繞一顆紅矮星的軌道，這台電腦可以供電長達10萬億年。如果這是一個簡單的選擇，誰願意花大力氣去征服銀河系或者與其他生命形式的接觸呢？

所有這些費米悖論的解決方案有一個問題：我們並不知道技術的邊界。

我們可能接近極限或是差的很遠。例如，有一種超級棒的技術正在等著我們，能將我們能運送到其他星系。

4. 思考D

然而我們不得不承認的是，我們真的什麼都不知道：

人類已經花費了超過90%的時間作為狩獵採集。

500年前，我們還認為自己是宇宙的中心。

200年前，我們停止使用人力作為能量的主要來源。

30年前，我們還把毀滅性武器互相指著對方，只是因為政治分歧。

然而，在以銀河的時間尺度來看，我們只是胚胎。我們已經走了很遠，但是仍有很長的路要走。而自以為是宇宙的中心的心態，仍然強力的印在人類心中，也因此讓很多人容易產生對宇宙中其他生命的傲慢假設：

但最終，只有一個辦法能夠查明真相，對嗎？

大沉默

另一個緊密相關的問題是大沉默——即使難以星際旅行，如果生命是普遍存在的話，為什麼我們探測不到電磁信號？

有人嘗試通過尋找地外文明的證據來解決費米悖論，也提出這些生命可能不具備人類的智慧。也有學者認為高等地外文明根本不存在，或者非常稀少以至於人類不可能聯繫得上。（引自Fermi paradox ）

不過，我們對於尋找地外生命形式的行星總是有我們固執的想法，比如我們覺得宜居星球要有大氣層。僅以人類或者生物需要呼吸的成分為模板，就可以算出宜居行星的必要尺寸，咱么一起算一算看：我們知道氣體動力學理論中有一個均方根速度

上式中，R是摩爾氣體常數，Mm是氣體的摩爾質量稍微變形一下，利用高斯積分和麥克斯韋速率分布律：

注意，這時候的m已經不是氣體的摩爾質量了，而是氣體中單個分子的質量，對於一顆行星，有一個逃逸速度：

根據紀錄片《宇宙時空之旅》中的旁白，我們的地球年齡約有45億年，假設地球還能再存在55億年（太陽的紅巨星階段大約是70億年後），圖個簡便也就是一共45+55=100億年=10^10年利用：

可以得到：

上面這個M是行星質量，m是氣體單個分子的質量。

再假設這個宜居行星的密度跟地球相仿： Earth density=5.51 g/cm? （Density of the Earth）把行星假設成為球形，於是有：

帶入其他已知條件：

可以有等式：

得出宜居星球的最小半徑R=2841624m=2841.624km 2842千米比地球的半徑（6371千米，Earth radius）的一半要小一些，跟Ganymede（木衛三，https://en.wikipedia.org/wiki/Ganymede_(moon)）的半徑2634.1±0.3 千米差不多：

圖片來自Ganymede (moon) 但是，是不是情況可能與我們設想的不一樣呢？是不是我們看向了錯誤的地方？MinutePhysics 曾正經討論了這個問題，結合這個網站The Big Alien Theory的理論，我們一起來看看：當尋求外星生命時，我們會集中去找一些像地球的星球，即其環境狀態與地球相似。

「在地球上有生命」，邏輯上就等於「像地球的地方很有可能會找到生命。」

可是，在可觀測宇宙中，有成千上萬個星系，而其中又有數十億計的恆星，大部分都有行星環繞，總共約有百萬十億十億（10^24）顆星體。

這樣巨大的數目，可以讓我們合理的假設：當中的大量星球有生命存在，甚至是有智慧生物。

而這個龐大的數量連同一些基礎物理學和統計學，結果指出很有可能外星智慧會生存在一些不像地球的「宜居星球」，而且不像人類。

我明白這聽起來有些瘋狂，因為我們只有一個數據點（我們自己），我們可以做出任何關於外星人特性的預測，即使我們並不知道他們的存在。

但是其實我們不可以，原因如下（貝葉斯推斷，Bayesian inference）：

一個基礎的統計學結果指出其中在典型的「個體」與典型的「組別」特性的差異是巨大的：

例如，大部分人類居住在有起碼1.8億人口的國家，但大部分國家只有少於600萬的人口：

有信仰的人是信仰信徒多於十億人的宗教，但大部分宗教則只有少於一百萬信徒：

大部分英超球迷熱愛有數億擁簇的球隊，比如紅摸、利村、破廠和車子，但大部分球隊則只有數百萬支持者（比如今年的副班長阿斯頓維拉，保級萬金油桑德蘭）：

無論是宗教、球隊支持者或者堅果成分，有多少個個體或者如何分組並不重要，

因為這是一個數學事實，即一個組中的中位數會大於或者等於中位組別：

簡單地說，就是只要在組別樣本不是完全一樣的情況下，大部分的個體都會從屬於大容量組別：

重點是，一個個體大多是屬於一個大規模組別，而不是最普遍的一個：

如果你不知道自己屬於哪一組，正如我不知道我的血型，最有可能的是最大的組別，所以可能是O型血或者A型血：

（圖片來自The Big Alien Theory）

當然，論及到智慧生命，我們人類不知道什麼組別是我們所在的。所以統計學告訴我們作為一個個體應該期待自己屬於大容量組別，而且我們的種族占相當大部分的人口：

而知道我們族群占相當大部分的人口十分有用

例如，個體需要空間生存，即有最大人口的國家傾向於有大片的國土：

所有有更多人口的地球傾向於據有多餘大部分具有智慧生命的星球的空間，簡言之，更大：

同樣，每個較小的生物需要較小的空間和能量，這樣可以令它們具有較高的種群密度：

所以螞蟻比大象多得多：

相比於其他智慧生命體而言，高人口數量的人類很有可能是身形較小：

根據以上推論，我們會有這樣的預期：例如，容易獲取的能量令維持人口稠密更加容易，所以對於其他臨近恆星的行星智慧生命，我們應該期望我們的太陽是更熱、更亮、位置更接近我們的星球，地球大氣層更加透明：

如果這樣聽起來不具有針對性，有幾個簡單的又合理的基於物理的假設，令我們的預測結果更加精準：

學者們預測大部分智慧生命，具有的數量低過二千萬，大部分具有智慧生命體的星球應該只具有少於80%地球半徑那麼大，而個體則至少重如北極熊（>350公斤）

在The Big Alien Theory裡面有預測，網址前面我都給出了：

所以比起在向與地球相近的臨近行星去尋找地外生命，可能更有效地方式是去尋找那些較小、更暗、霧氣蒙蒙的行星：

簡而言之，我們應該期望自己是利物浦，去尋找宇宙中的阿斯頓維拉：

關於蟲洞

1921年赫爾曼·外爾（Hermann Weyl ）首次提出蟲洞相關的概念；

1957年約翰·惠勒（John Wheeler，他是費曼的導師）將這個概念敲定為蟲洞；

1988年，索恩和其餘共同作者才使這個問題正式登上了嚴肅科學的殿堂，成為廣義相對論的一個研究課題：

截圖來自http://authors.library.caltech.edu/9262/1/MORprl88.pdf這篇名為「Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition」的文章發表在物理學領域聲望最高之一的雜誌——Physical Review Letters上。

也就是在這篇文章的前言中，他們用前人的智慧結晶開宗明義：史瓦西蟲洞是不可穿越的蟲洞，因為人和動物的世界線是類時世界線，而蟲洞按照時間順序而言，先是不張開，然後逐漸張開到T=0時張至最大，繼而有漸漸收窄，最終又完全不張開（有奇性），而人或者動物都慢於蟲洞的開合。我們都知道靜態球對稱恆星外部時空的集合由史瓦西真空解：

其中M和R分別是恆星的質量和半徑，星內線元可以表示為：

在等t面上導出三維線元：

由於球（恆星）的對稱性，考慮到赤道面上的θ=2/π，所以對於面上的任意曲線任意元段有：

現在我們假設歐式空間中z-r面上有一個曲線表達式為z(r)，根據3維歐式線元在柱坐標系的表達式為：

令上面兩個式子相等，於是有：

所以根據上述結果，你可以得到下圖：

當然，因為知道在r

而右邊那個曲線繞z軸旋轉，則有：

從上面這個圖可以看出，時空是漸進平直的，越遠越平，從時空的遠端向恆星運動，你會發現空間的彎曲越來越大。

當然，由於前面提到的史瓦西蟲洞的不可穿越性。為了讓蟲洞穿越成為可能，物理學家覺得就必須放棄真空條件，就是說，可穿越蟲洞的時空一定要有物質場。要用物質的引力撐開蟲洞，所以就有人提出撐開蟲洞的物質必須是及其特別的——奇異物（exotic matter）：

假想的具有反常物理性質的粒子，例如具有負質量者，它們可能打破已知的物理定律。

未確認的假想粒子，如奇異重子，其性質以既有的物理學看來可能並不奇異。

極端的物質狀態，如玻色–愛因斯坦凝聚，這類物質完全符合已知物理定律。

物理學中所知甚少的物質，如暗物質。

（引自Exotic matter）經典物理學裡並沒有奇異物的存在空間，所以很多人自然就想到量子力學，即空間各處的能量密度都在快速地時漲時落，稱之為真空漲落。在一定情況之下，真空漲落可能被扭曲，從而相當於奇異物。但是，就現在物理學方面的研究來看，並沒有發現這樣的奇異物的存在，也就是說穿越蟲洞的可能性為零。

一點進展

去年，巴塞羅那的物理學家們在實驗室搞出了一個「Magnetic Wormhole」：

圖片來自A Magnetic Wormhole : Scientific Reports 文章發表在現在人人喊打的scientific reports上面，但是人家不管這個。

介紹一下超材料：它們擁有一些特別的性質，比如讓光、電磁波改變它們的通常性質，而這樣的效果是傳統材料無法實現的。超材料的成分上沒有什麼特別之處，它們的奇特性質源於其精密的幾何結構以及尺寸大小。其中的微結構，大小尺度小於它作用的波長，因此得以對波施加影響。

引自Metamaterial 他們通過使用超材料，讓磁場通過在通過隧道時沒有留下痕迹。其實，在實驗中的所謂「蟲洞」，並不是「不可見的」，而是一個球體狀的鐵磁性超表面、球狀的超導層以及內部的鐵磁捲成的圓筒，另外實驗的結果是磁場源以一個磁單子（單一磁極）孤立的出現隧道的另一頭，好像就是憑空消失然後出現的狀況，所以叫做磁場蟲洞：

圖片來自A Magnetic Wormhole : Scientific Reports 這個研究非常的重要，首先是第一次實現了磁場的空間轉移，儘管跟物質的轉移相差較遠，但是可以讓我們對於電磁波在空間的穿越方式有所了解，並且對於醫用儀器方面有著重要的應用價值，在scientific American中，作者說道：

There s no way to know if similar magnetic wormholes lurk in space, but the technology could have applications on Earth, Prat said. For instance, magnetic resonance imaging (MRI) machines use a giant magnet and require people to be in a tightly enclosed central tube for diagnostic imaging. But if a device could funnel a magnetic field from one spot to the other, it would be possible to take pictures of the body with the strong magnet placed far away, freeing people from the claustrophobic environment of an MRI machine, Prat said.（引自Magnetic Wormhole Created in Lab ）

翻譯一下就是，這項研究可以用在磁共振成像（MRI）方面，現在的磁共振成像儀需要人們進入一個相對環境封閉的中空艙里，對著一大塊的磁鐵。這個對很多人，鴨梨山大不說，還有人會產生一定的幽閉恐懼症。而使用磁場蟲洞技術，就可以將強磁塊放在遠離中空艙，讓人感覺舒服一些。

綜上所述

對於問題「宇宙已經140億歲了，多少文明存在又消亡過，為何沒有文明進化到可以星際旅行，通過蟲洞找到我們？」

我個人的看法是，我們在宇宙中是孤獨的，形單影隻的呆在藍藍的小球上，周圍是無限擴張的空間。因為找不到奇異物質，蟲洞也是不可能的。

在宇宙冗長的時間線上，我們只是微不足道的一點，1080P的超清圖上連個像素都不到，既欣賞不到宇宙的初始，也很可能體驗不到它最後的呼吸。

如果你感到有一點難受的話，那其實是正常的，我也這麼感覺。不過，我們知道我們是由許許多多的小粒子組成的，而這些小東西將我們與宇宙中的萬物聯繫在了一起，直到一切的起源，而這是一件好事：你不是孤單的，從來都不是。

熱寂、大撕裂等等離你都很遠，很遠很遠，最重要的只有當下，你喜歡的那個可愛的女孩，大膽跟她說吧！加油！

作者：土豆泥

來源：知乎

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