浅析费米悖论引发的“大过滤器”理论

美籍意大利物理学家恩里科·费米

1950年，美籍意大利物理学家恩里科·费米和他的一些同事在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室共进午餐，大家谈论到了外星人和当时发生的一系列UFO事件。对此，费米发表了一个将被载入史册的问题："其它智慧生命在哪里？"

费米悖论引发大过滤器理论

这一疑问成了费米悖论的基础，也就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。

70年后，我们仍然没有回答这个问题，这导致了许多为什么我们还没发现地球外的智慧生命体的理论推测。

其中一个流行的说法是，一定存在某种“大过滤器”阻止生命达到高级发展阶段。

这个词是由牛津大学人类未来研究所的经济学家罗宾·汉森创造的。1996年，汉森发表了一篇题为《大过滤器-我们快过了吗？》的文章。他在文中提出，一定有什么东西阻止非生物物质聚集在一起形成生物体，并阻止其达到“卡尔达肖夫指数”上的高度文明发展水平。

卡尔达肖夫指数是根据一个文明所能够利用的能源量级，来量度文明层次及技术先进程度的一种假说。苏联天文学家尼古拉·卡尔达肖夫在1964年首先提出用能量级把文明分成三个量级：I型、II型和III型。I型文明利用它的故乡行星所有可用的能量，II型文明利用它的行星所围绕的恒星所有的能量，III型文明则利用它所处星系的所有能量。一般认为，人类文明目前接近但尚未达到I型文明。

汉森认为，存在“大过滤器”这种可能性对人类来说不是好兆头。他说：“人类似乎有一个光明的未来，也就是说，有一个非同小可的机会扩大到使宇宙充满持久的生命。但我们附近的空间现在似乎是死的，这一事实告诉我们，任何一块死区都面临着一个天文数字般的低概率产生出这样一个未来。因此，在死亡和不断扩大的持久生命之间存在着一个巨大的过滤器，人类面临着一个不祥的问题，即，我们距离这个过滤器有多远？”

牛津大学人类未来研究所的哲学家尼克·博斯特伦提出了类似的观点。他说：“大过滤器可以被认为是一个概率障碍。它由一个或多个极不可能的进化转变或步骤组成，这些转变或步骤的发生是一个类似地球的星球产生智能文明的必要条件，而这种文明的类型是我们目前的观测技术所能看到的。”

当费米提出著名的悖论时，科学家们已经在假设宇宙中一定存在大量的生命。考虑到宇宙的规模和年龄，这并不奇怪，因为宇宙的直径为930亿光年，而且可观测的部分估计已经存在了138亿年。光是这个可观测的空间估计就有2万亿个星系。

而我们的银河系直径超过1亿光年，其中包含2千亿到4千亿颗恒星。即使我们假设这些恒星中只有1%的恒星包含有行星，其中1%的行星可以支持生命，其中1%的行星产生了智慧生命，而这些生命中有1%的生命开花结果，形成了先进的文明，那也意味着可能有2000个文明存在。

弗兰克·德雷克博士

这个论点大约在十年后被美国天文学家、“搜寻地外文明计划”（SETI）项目的研究学者弗兰克·德雷克博士正式确定下来。德雷克博士提出了一个方程式，用数学方法总结如下：

N = R* x fp x ne x fl x fi x fc x L

其中，N代表银河系内可能与我们通讯的文明数量；R代表银河内恒星形成的数量；fp代表恒星有行星的可能性；ne代表可能发展出生命的行星的平均数；fl代表以上行星发展出生命的可能性；fi代表演化出高智生物的可能性；fc代表该高智生命能够进行通讯的可能性；L则表示该高智文明的预期寿命。

德雷克博士说：“我写下了所有需要知道的东西来预测探测外星生命的难度。观察这些数据后发现 ，如果你把这些东西乘在一起，就会得到一个数字N，也就是银河系中可探测到的文明的数量。这是以无线电搜索为目的，而不是为了搜索原始生命形式。”

在其1973年出版的题为《宇宙联系外星视角》一书中，卡尔·萨根声称，由于人类尚未达到I型文明发展水平，因此应该将0型列入其中。他认为：“I型文明在通讯方面的能力相当于地球目前的全部动力输出。除了与外星文明的通讯之外，还有大量的用途。按照这个定义，地球还不是I型文明。我们现在的文明应该被归为类似0.7型的文明。”

根据这些参数，I型文明不仅会发展到占据其星球的整个表面积，而且会在低地轨道上殖民。这样的文明可以由系外行星猎手通过寻找行星周围的卫星云(又称克拉克带)来识别，这些卫星云在行星变轨期间是可见的。

根据卡尔达肖夫的说法，第II类文明最好的例子就是能够在母星周围建造巨型基础设施（即戴森球）的文明。这将使该文明能够利用其太阳产生的所有能量，并使其母星系统的可居住空间成倍增加。

第III类文明的特征比较难描述，但各种理论家都认为，一个足够先进的外星智慧生命体可以在其整个星系周围，或者在其星系的核心区域周围建造巨型基础设施，以便利用其超大质量黑洞的能量。可以说，一个能够利用其整个星系能量的文明是不可能不被注意到的。

生命成为太空文明的9大步骤

卡尔达肖夫指数的能源消耗估计三种类型文明

汉森认为，“过滤器” 必须位于一个星球上，出现生命和成为星际文明之间的某一点。以地球上的生命和人类的出现为模板，他阐述了生命成为太空文明需要遵循的九个步骤，这些步骤包括：

1.适宜居住的恒星系统(有机物和适宜居住的行星)

2.生殖分子(如RNA)

3.原核生物单细胞生命

4.真核细胞单细胞生活

5.有性生殖

6.多细胞生命

7.能使用工具的动物

8.工业文明

9.大规模的殖民化

根据“大过滤器”假说，这些步骤中至少有一个必须是不可能的。要么是生命早期很难从无机材料中出现，要么是随着物种越来越先进，灾难性失败的几率会增加。这两种可能性中的任何一种都会给人类带来重大后果。

如果过滤器位于早期步骤，那么复杂的生命形式，包括人类的存在就一种是罕见的发展结果。另一方面，如果过滤器位于较晚的步骤，那么许多地外智慧生命体一定已经达到了我们目前的发展水平，但却未能走得更远。这就意味着，灭绝可能就在我们前面。

出于这个原因，有很多人认为发现地球以外的生命不会是一个值得庆祝的消息。正如博斯特伦所总结的那样：“从几十亿个潜在的生命萌芽点开始，最后我们可以观察到的地外文明的总数为零，因此，大过滤器必须足够强大。也就是说，即使掷了许多亿次骰子，最后也会一无所获：没有外星人，没有飞船，没有信号，至少在我们这个地方不能探测到信号。”

银河系中没有任何物种达到第九步，这是一个必然的结论。否则，它存在的证据将随处可见。因此，智慧物种完全有可能没有从第八步过渡到第九步，即第一类文明到第二类文明。

大过滤器假说和费米悖论是不可分割的，要解决其中一个问题总是会牵扯到另一个问题。例如，将过滤器放在汉森太空文明发展九步法的早期阶段，就会得出这样的结论：人类没有发现智慧生命的证据，因为它不存在，这正是费米悖论的基础。

另一方面，如果真的有智慧生命存在，但它发展的条件却很罕见，那么我们就只能得出一个结论：我们根本还没有找到任何证据，这正是费米悖论的另一种可能的解决方法。

或者智慧生命由于技术进步而自我毁灭，这可能是核战争、气候变化、人工智能的发展或其他手段的结果。以人类为例，可以说我们面临的许多生存威胁是我们这种发展水平文明的典型特征。

围绕为什么我们还没发现地外智慧生命还有很多推测，比如地外智慧并不是不存在，而是在冬眠（兽化假说）。还有一种理论认为，它们可能是为了避免接触，以免干扰我们的进化（动物园假说）。甚至有人提出，人类被地外智慧生命体刻意隔离（又称天文馆假说），所以他们可以更仔细地研究我们。

当然，这些都是理论，就像费米悖论本身一样，在找到地外智慧存在的证据之前，这些假说无法证实。

著名科学家，科幻作家阿瑟·C·克拉克曾说：“有两种可能。要么我们在宇宙中是孤独的，要么我们不是，这两种可能性都同样可怕。”