费米悖论

搜寻地外文明计划中常使用射电望远镜

无线电技术和建造射电望远镜的能力，常被认为是有一定技术水平的物种所应具备的。这些技术产生的影响可以在星系之外探测得到。举个例子，太阳系内灵敏的探测器一般都能探测因地球的电磁通信而产生的无线电信号，强度和G2型恒星的电磁辐射相当。排除自然因素的影响，外星人应该能够推断出地球文明的存在。

因此，在太空仔细地寻找非自然原因引起的无线电信号，可能会发现外星文明的踪迹。这些信号也许是外星文明无意间放出的，也可能是为接触其他文明而有意放出的，就好像地外文明交流计划（Communication with Extraterrestrial Intelligence）的阿雷西博信息。在搜寻地外文明计划的组织下，一批天文学家和天文台一直以来都在寻找这样的无线电信号。另外也有一部分人从事光学方面的信号分析。

搜寻地外文明计划几十年来在主序星中只找到几个候选信号，但没有发现任何不寻常的亮度变化或者有意义的重复的无线电信号。1977年8月15日，巨耳射电望远镜发现了著名的“哇！”信号。但是巨耳对星空中的每一点只观测72秒，后来对发现地的再次观测却没有发现任何异常。2003年，搜寻地外文明计划的SETI@home计划又找到一个候选者SHGb02+14a无线电信号，但后续的研究都不太乐观。很多技术专家认为靠现有的搜索技术，搜寻地外文明计划很可能会忽略有意义的无线电信号。

一张地球夜间的合成照片，使用的是国防气象卫星计划实用行扫描系统的数据。我们可以从太空探知人类文明。

得益于天文器械和分析技术的改善，我们现在能够对系外行星进行探测和分类。在1989年第一篇声称发现了系外行星的文章发表之后，一个新的天文学分支开始兴起。能够支撑生命体系的行星很可能会在不远的将来被发现。

生命存在的直接证据在未来一定能够探测得到。只要对系外行星的大气做好光谱分析，就能探测出昭示生命现象的气体（像甲烷和氧气），甚至是高等文明产生的工业化空气污染。随着观测技术的进步，以后我们甚至能直接观测到生命现象（比如右图）。

然而，系外行星很少能被直接观测得到（2004年第一次有人声称观测成功[6]），甚至它们的存在性还是通过它们公转的恒星的变化推测出来的。这意味着一般只有系外行星的质量和轨迹能够被计算出来。这点信息，加上其公转恒星的类型和对行星成分的猜测（通常基于行星质量和对恒星的距离），只能让我们对行星的环境做粗略的估计。

在2009年以前，系外行星的观测技术还不太能探测到地球大小的有生命的行星。比如微引力透镜技术，只能探测到小型行星的存在（可能比地球更小），但只能探测一小段时间，不能够跟踪探测。其他方法像视向速度法、天体测量学方法、凌日法，虽然可以对行星效应进行较长的观测，但只能对质量远大于地球的行星有效，而且都是要通过行星大气进行观测。这些方法都不太可能成功观测到类地生命。但系外行星的探测和分类一直是天文学中非常活跃的分支。1988年到2007年，一共探测到241颗行星；2007年第一次在一个恒星系统的可居住区域发现一颗类地行星。系外行星的探测手段在不断改进，加上对现有太空技术的有效运用（比如2009年发射的开普勒太空望远镜），我们越来越容易探测到类地行星和判断它们是否处于恒星系统的可居住区域。这些进步能够让我们更好地了解可居住行星的分布状况，进而了解宇宙中生命的分布情况。这比仅解决费米悖论有更深刻的意义。

像之前说的，从宇宙的尺度和年龄来看，智慧生物理应能快速扩张，留下外星殖民的迹象。但我们发现的殖民活动不一定有地外生物参与，也可能是探测器或者信息采集装置。

某些理论上的探索技术，比如冯·诺依曼探测器，能够在短短50万年中探索完银河系大小的星系，却只需要相对少量的物质和能量投入。即使银河系中只有一种文明采用这个技术，探测器也应该遍布整个星系，包括太阳系——也许处于原材料丰富且容易获取的小行星带。

另一种可能接触到的外星探测器是会寻找外星生物的布雷斯韦尔探测器。这种探测器能自主行动，寻找外星文明并尝试进行交流（而冯·诺依曼探测器常被认为只是纯粹地进行探索活动）。相比于和超远距离的文明用光速信号进行缓慢的对话，这种技术是很好的替代方法。探测器会拥有人工智能，找到外星文明之后能自己实现短程对话，不会产生用远程的无线电对话时出现的延迟。虽然探测器的发现目标后仍要以光速把信息传回基地，但用于信息采集的文明间的对话可以实时进行。

从1950年代开始，人类在太阳系内一小部分区域进行着星际探索，但没有发现任何说明外星殖民者、探测器到访过的证据。太阳系内有很多资源丰富的区域，比如小行星带、柯伊伯带、奥尔特云等。虽然这些区域非常大而且难于考察，如果进行仔细的探查可能会发现外星人探索活动的线索。寻找地外人造产物计划和寻找地外文明到访计划，对这方面已经做了一部分工作。科学家罗伯特·弗雷塔斯、范斯高·威尔德斯也尝试了指示、吸引或者驱使地球附近的布雷斯韦尔探测器。大部分这方面的计划被天文学界认为是“边缘”学科。目前没有任何项目发现了外星人造产物。

如果发现了外星人造物，它们可能不太容易辨认出来。因为我们不一定能理解和辨识融合了外星思维和高等外星科技的物品。通过合成生物学制作的生物工程化的生命体探测器，可能会在某时刻分解不留下任何证据。一个基于分子纳米技术的信息采集装置可能正遍布于我们身边，却完全不被人发现。克拉克的第三条定律也暗示，远先进于人类的外星文明可能拥有不被人类理解的调查手段。

图为戴森球的一种变体。这种大规模人造物会大幅度改变恒星的光谱。

1959年，弗里曼·戴森博士发现每一个发展中的人类文明会持续增加能量消费量；所以理论上说，一个年龄足够大的文明将需要太阳产生的所有能量。思想实验戴森球就是他想出的解决办法：用一个壳体或云状物罩住整个恒星来收集尽可能多的辐射能。这样庞大的天体工程项目会大大改变太阳的观测光谱，从普通恒星大气层的发射光谱变为黑体辐射光谱，很可能在红外波段出现峰值。戴森认为只要检查恒星的光谱，如果找到这样的光谱变化，就能发现高等外星文明。

从那以后出现了各种理论上的星球规模的超级建筑，但中心思想仍然是一个相当高等的文明——卡尔达肖夫指数II型以上——会使自己的环境变化得足够大，使得在星际距离外被探测到。

然而，这种建筑会比原来设想的更难观测到。根据内部环境的差异，戴森球会有不同的发射光谱；依赖于高温反应的生命更青睐高温的环境，导致在可见光波段而不是红外波段出现“剩余辐射”。另外，有一种戴森球的变体——俄罗斯套娃脑（Matrioshka brain）——很难实现远距离观测；它是一系列同心球，辐射的能量由内向外逐层递减。最外层可能会接近星际背景辐射的温度，以致于完全无法观测到。

关于戴森球和其他卡尔达肖夫指数II型或III型的能改变恒星光谱的巨型人造物，有一些初步的搜索；但是光学调查没有发现任何线索。费米国立加速器实验室有一个寻找戴森球的项目正在进行中，但这些搜索只是初步的，并不完整。[7]

另一个类似的话题是星系规模建筑。可惜目前的情况对于“生命是普遍的”这个理论是一个致命的打击。对于上千个星系的直接观测后，却找不到任何人工建筑或改动的证据。这意味着要进化出能制作星系规模超级建筑的物种，其速率将小于1个每1万个星系每130亿年，或者说是10⁻¹⁸个每年。

在2015年，克普勒望遠鏡發現KIC 8462852有難以解釋的光度變化，遂有假說是外星智慧生命在製造戴森球。

一种解释是人类文明在星系中是唯一的。顺着这个思路有几个相关理论，解释为什么智慧生物会如此稀少或者如此短命。

认为地外智慧生物不存在的人声称生命——至少复杂生命——诞生的条件是很罕有的，或者地球是特殊的。这是所谓的稀有地球假说：尝试通过拒绝平庸原理来解决费米悖论，主张地球不是典型的，而是特别的甚至奇特的。虽然“地球是特殊的”这个观点在历史上一直有哲学和宗教背景，稀有地球假说使用定量的和统计证据来说明多细胞生物在宇宙中是极其罕见的，原因是和地球相似的行星非常少，或者说很多不可能的巧合都集中到地球身上让复杂生命的诞生成为可能。尽管有人指出复杂生命可能按照不同于地球的其他模式进化出来，但是考虑到在漫长的地球历史中，只有一个物种发展出文明并能实现太空飞行和无线电技术，这让高等技术文明在宇宙中是罕见的观点显得更加可信。

举例来说，智能的出现可能是进化的意外情况所致。杰弗里·米勒（Geoffrey Miller）提出人类智能是逃离性选择的结果，才走上了意料之外的进化方向。史迪芬·平克（Steven Pinker）在《心智探奇》指出，生命一达到最低限度的复杂度时就一定会进化出智慧生物的想法，是一种基于“进化阶梯”理论的谬误：进化没有一个前进的目标，只是自然产生，挑选出对于给定的生态环境最有用的变异；地球产生出具备语言功能的智慧生物，这只能说是目前看来进化过程中一次罕见的好选择，但这绝不是生命进化的终点，未来的进化是好是坏还不能确定。

顺着这个思路的另一个理论是，即使生命存活的条件在宇宙中很普遍，但考虑到生命由一系列分子复杂排列而成，同时具有繁殖、从环境摄取基本组分、获取并转化能量供应生命活动等能力，要生命诞生（或者说在一个可能有适宜生存的星球上要自发产生生命）仍然十分困难。

另外，在从初等生命到人类这段充满未知数的过程中，从原核生物到真核生物和从单细胞生物到多细胞生物的转变，其发生的几率也可能非常小。大部分早期行星不穩定，生命形式需要控制溫室效應以確保行星表面溫度穩定。[8]

也许智慧生物是普遍存在的，但是工业文明则相反。举例说，地球工业文明的出现是得益于方便易得的能源，比如化石燃料。如果这种能源是稀缺的或者根本不存在，那么智慧生物要发展科技到能进行外星对话的程度会困难很多。除了能源也会有其他特殊因素是文明发展需要的，但在不同星球的分布会有差异。

另外，也有理论认为，文明的发展过程存在大过滤器。这个过滤器即是文明历经的磨难。这种理论认为大多数文明因为过滤器存在而在非常低等的情况下已经被淘汰。

稀有地球假说推崇地球生命和其形成过程，是一种人择原理的变体。它强调宇宙似乎特别适合发展人类文明。这种哲学观不仅反对平庸原理，还和哥白尼原则相斥，后者一般认为宇宙中没有任何地方是更优的。不断有证据表明人类并不是地球上唯一拥有智能、语言、工具使用和制作能力的物种，这大大打击了稀有地球假说。

反对者认为稀有地球假说和人择原理都是缺乏想象力的和语义重复的——如果为了让人类产生宇宙必须存在相应的条件，那么既然人类已经存在，所以宇宙肯定已经满足这些条件了。根据这样的分析，稀有地球假说混淆了为什么生命会在地球出现和为什么生命要出现。尽管和地球具体情况相同的星球不太可能普遍存在，但是我们还是不知道复杂生命的进化需要哪些条件。

在发展出无线电或太空飞行技术之前或之后很短的时间内，技术文明可能倾向于或者必定会自我毁灭。可能的灭绝方式包括核战争、生物武器或意外的病毒感染、纳米技术灾难（nanotechnological catastrophe）、不理智的物理实验、程序失控的人工智能、地球生物圈恶化后产生的马尔萨斯灾难、资源枯竭或能源枯竭尤其可能是化石能源枯竭导致倒退为非技术文明。这类话题在小说和主流的科学理论中都有探讨。有部分人认为人类的末日可能比想象的要更快到来。1966年，卡尔·萨根和约瑟夫·什克洛夫斯基提出，技术文明要么会在持续一个世纪的发展星际通讯的过程中走向自我毁灭，要么掌握自己的命运并继续存活上亿年。自我毁灭也可以用热力学的观点来考察：目前生命是一个有序系统，可以维系自身和对抗无序的趋势；但“外部传输”（external transmission）或者星际通讯阶段可能是系统变得不稳定和自毁的转折点。

• 由于数量级的原因……（同時發生相對）
  • 文明之间的时间距离太远，不容易接触。距离太阳系最近的恒星半人马座α比邻星也有4.22光年，这意味着即使该星系存在同样乐于并有能力发现和寻找我们的智慧生命，他们要达到地球也需要相当长的时间（很可能超越了物种本身的寿命）；另一方面人类冲出地球的时间距今也仅数十年计，相比地球诞生至今数十亿年，所占比例实在很短（亿分之一），能够被地外生命（对方也需要具有持续观测能力和意願，否则能够被偶然观测到的概率要再平方一次）观测到的概率很低，对方观测到并给予能够被我方接受的信号的概率更低一些；再次双方传递之信号必须足够大，才能在光年计算的星际空间不至淹没而有迹可循。（代達羅斯計劃）
  • 生命从星系的一部分扩展到另一部分很艰难，所以还没到地球。
  • 人类真正搜寻外星人的时间还太短。
  • 外星文明已经发现人类了，只是发回的信号还没到地球。
  • 地球人未有察覺發回信号為外星文明產物。
  • 地球人所發出信号無意中摧毀了外星文明。
• 由于技术的原因...
  • 外星人未必是科技先進的一方，可能外星人科技比人類落後，所以還無法和人類溝通。
  • 文明的技术可能永远无法有效超越星系。
  • 人类寻找外星生命的方法不正确，所以还没见到。
  • 文明向外广播无线电信号的时间很短，尤其可能是因为多数技术文明的存在时间很短，且无法离开母星系，导致技术文明的密度以及这些文明的无线电广播密度过低，信号过于微弱而难于探测或人类开始探测信号前某些曾经存在于太阳系的广播信号因广播时间较短已不再存在于太阳系。
  • 技术文明一般会经过技术奇异点。此后和还没有经过奇异点的人类交往或者没有可能，或者没有意义。
  • 外星技术现象与自然现象太过相近以至于难以区分。
• 它们故意不回答……
  • 假設宇宙總體資源固定的情況下，為了獲取繼續生存的機會，避免他種文明的反應而竭力隱藏自己而不與地球交流，原因包括不確定地球善惡、不確定地球對外星文明的善惡，不確定地球認為外星文明之善或惡，不確定地球認為外星文明認為地球為善或惡等無限的懷疑鏈導致的不信任。在文明高低方面，在保障生存的前提下，則有以下危機：地球文明高於外星文明，可能引起地球發動侵略；在地球文明低於外星文明的情況下接觸，可能引起地球文明爆發（技術爆炸）而趕上甚至超越外星文明而發動侵略；在外星文明發現地球時，地球即便未發現外星文明也並非完全沒有機會發現外星文明，因此單純發現並不存在絕對的安全，更遑論接觸；宇宙中並非只有2種文明，在雙方接觸下，也可能使第三方文明發現而帶來危機。此外，基於以上兩種思維，建立黑暗森林法則，各個文明在偶然發現對方時，無法確認對方善惡，且獲得確知所需的時間與程度尚未可知，未來是否仍能保障安全亦不能預測。因此各個文明必須在黑暗的宇宙中選擇匿身，且在發現其他文明時，採取主動接觸或繼續匿身都不足以保證生存，在必須行動時，將選擇攻擊他方摧毀其文明的方式，以避免自身再被第三方發現。（黑暗森林假説，语出自《三體》小说系列)
  • 为了观察人类的自然行为，有意不直接接触。（動物園假說）
  • 与人类差别太远，无法有效回答。（技术奇异点）
  • 没有兴趣回答。
• 它们已经与人类接触了，只不过……
  • 它們存在於更高的維度之上人類無法察覺
  • 有意隐藏接触的证据。
  • 无意隐藏，只是人类自己不肯承认和外星人接触的证据，如麥田圈。
  • 外星人只与合适的人类进行接触，虽无隐藏证据的意思但也没有意愿广为公布。