超越“费米悖论”：渗流理论假说是什么？

欢迎回到我们的《费米悖论》系列，我们将探讨解决恩里科·费米（Enrico Fermi）著名问题“每个人在哪里？”的可能解决方案。今天，我们研究了星际旅行不是很实际的情况，外星人没有访问过地球的可能性！

1950年，美籍意大利裔物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）在洛斯阿拉莫斯国家实验室与他的一些同事共进午餐，作为曼哈顿计划的一部分，他在那里工作了五年。根据各种说法，谈话的对象是外星人和最近发生的不明飞行物。为此，费米发表了一项声明，将其载入史册：“每个人都在哪里？”

这成为费米悖论的基础，费米悖论指的是对存在外星智能（ETI）的高概率估计与明显缺乏证据之间的差异。自费米时代以来，针对他的问题提出了若干建议的解决方案，其中包括星际殖民完全遵循渗流理论的基本规则的现实可能性。

费米悖论背后的主要假设之一是，鉴于行星的数量和宇宙的年龄，先进的外文明文明应该已经在我们银河系中占据了相当大的比例。考虑到仅在银河系中（已有135亿年历史），估计有100到4000亿颗恒星，这当然不是没有优点。

另一个关键的假设是，作为探索和扩展其文明范围的自然动力的一部分，将促使聪明的物种殖民其他恒星系统。最后但并非最不重要的一点是，它假设星际太空旅行对于先进的exo文明来说是可行的，甚至是实用的。

但这反过来是基于这样的假设，即技术的进步将为星际旅行的最大挑战提供解决方案。简而言之，航天器从一颗恒星传播到另一颗恒星所需的能量非常高，尤其是在涉及大型，载人航天器的情况下。

1905年，爱因斯坦发表了他的开创性论文，其中他提出了相对论的特殊理论。这是爱因斯坦试图将牛顿的运动定律与麦克斯韦的电磁方程式调和在一起，以解释光的行为。该理论从本质上说，光速（除了是恒定的）是物体无法传播的绝对极限。

这可以通过著名的方程E = mc 2来概括，该方程也称为“质量-能量当量”。简而言之，该公式将质点在静止框架中的能量（E）描述为质量（m）与光速平方（c 2）的乘积。 300000 km / s; 186000英里/秒其结果是，随着物体接近光速，其质量总是增加。

因此，为了使物体达到光速，必须消耗无限量的能量以使其加速。一旦达到c，物体的质量也将变得无限大。简而言之，实现光速是不可能的，不要介意超过它。因此，除非在我们对物理学的理解上有巨大的革命，否则永远不会存在“光速”（FTL）推进系统。

这是生活在相对论宇宙中的结果，在宇宙中以光速的一小部分行进就需要大量的能量。尽管多年来，希望看到星际旅行成为现实的物理学家和工程师提出了一些非常有趣和创新的想法，但您所称呼的“乘员成本”概念却无人能及。

这就提出了一个非常重要的哲学问题，与费米悖论和ETI的存在有关。这就是哥白尼原理，以纪念著名天文学家尼古拉·哥白尼（Nicolaus Copernicus）的名字命名。概括地说，该原理是哥白尼关于地球的论点的延伸，它是如何以独特和特权的地位来观察宇宙的。

原则延伸到宇宙学领域，基本上断言，当考虑到智能生命的可能性时，不应假定地球（或人类）是独特的。同样，该原则认为，今天我们所看到的宇宙也可以代表规范。它处于平衡状态。

人类处于观察宇宙的独特和特权地位的相反观点是所谓的人类原则。简而言之，该原则指出，观察宇宙以获取生命和智力迹象的真正行为要求管理宇宙的法律有利于生命和智力。

如果我们接受哥白尼原则作为指导原则，我们将不得不承认，任何智能物种在星际飞行中都将面临与我们同样的挑战。而且由于我们没有预见到解决这些问题的方法，除非对我们对物理学的理解取得重大突破，也许其他任何一个物种也找不到。这可能是“大沉默”的原因吗？

随着时间的流逝，距离和时间可能是一个因素（相对于费米悖论）的观念已经得到了很多考虑。卡尔·萨根（Carl Sagan）和威廉·纽曼（William I. Newman）在1981年的研究中提出“银河文明：人口动态和星际扩散”，即ETI发出的信号和探测信号可能还没有到达地球。遭到其他科学家的批评，他们认为这与哥白尼原则相抵触。

根据Sagan和Newman自己的估计，ETI探索整个星系所需的时间等于或小于我们星系本身的年龄（135亿年）。如果外来文明的探索或信号尚未到达我们，这意味着有意识的生活在最近的时代开始出现。换句话说，银河系处于不平衡状态，从无人居住状态迁移到有人居住状态。

但是，是杰弗里·兰迪斯（Geoffrey A. Landis）提出了关于物理定律所施加的极限的最有说服力的论点。他在1993年的论文《费米悖论：一种基于渗流理论的方法》中指出，相对论的结果是，外文明只能扩展到整个银河系。

Landis论证的核心是数学和物理统计概念，即“渗流理论”，它描述了节点或链接被删除时网络的行为。按照这种理论，当删除足够多的网络链接时，它将分解为较小的连接群集。据兰迪斯说，同样的过程对于描述从事移民的人会发生什么很有用。

简而言之，兰迪斯（Landis）提出，在一个统计上可能有智慧生活的星系中，地球外文明之间不会存在“动机的统一性”。取而代之的是，他的模式具有多种动机，有些人选择冒险和殖民，而另一些人选择“待在家里”。正如他解释的那样：

“既然有可能，考虑到足够数量的地外文明，一个或多个肯定会这样做，这可能是出于我们不可知的动机。殖民化将花费很长时间，而且非常昂贵。

“完全合理的假设是，并非所有文明国家都对未来这么大的支出感兴趣，因此有很大的兴趣。人类社会由在很长一段距离上有时探索和殖民的文化和对它没有兴趣的文化组成。

总而言之，高级物种不会迅速或持续地在银河系中定居。取而代之的是，它会向外“渗透”到一个有限的距离，在那里，不断增加的成本和沟通限制之间的滞后时间与殖民地发展了自己的文化。因此，殖民化不是统一的，而是会发生在任何时候都有大面积未殖民的集群中。

NASA系外行星系统科学研究中心（NExSS）的系外行星研究人员亚当·弗兰克（Adam Frank）教授和他的团队在2019年提出了类似的论点。在一项名为“费米悖论和极光效应：文明外的解决，扩张和稳定的国家”的研究中，他们认为银河系的沉降也将发生在星团中，因为并非所有潜在可居住的行星都适合居住在殖民地中种类。

当然，Landis的模型包含一些自己的固有假设，他事先已经提出了这些假设。首先，有一个假设，即由于物理定律，星际旅行很困难，并且有一个最大距离可以直接建立殖民地。因此，文明只会在距其家园合理的距离内殖民，超过此距离之后便会发生第二次殖民。

其次，兰迪斯还假设母体文明对它所创造的任何殖民地都缺乏掌握，而这些人发展自己的殖民能力所需的时间将很长。因此，任何建立的殖民地都会随着时间的推移发展自己的文化，其人民将具有不同于母体文明的自我意识和认同感。

正如我们在上一篇文章中探讨的那样，使用当前技术到达Proxima Centauri（距离我们4.24光年）将需要1000到81,000年的时间。尽管有些概念允许相对论旅行（光速的一小部分），但旅行时间仍将是几十年到一个世纪以上。而且，费用将非常高昂（请参见下文）。

但是，让殖民者进入另一个星系仅仅是个开始。一旦他们在附近的一个宜居星球定居（并且并非所有人都死了），并且拥有星际通信的基础设施，仍然需要8年半的时间才能向地球发送消息并获得答案。对于任何希望对其殖民地保持集中控制或文化霸权的文明来说，这都是不切实际的。

为了让事情更直观，请考虑与人类自己的太空探索历史相关的成本。 1961年至1973年之间，作为阿波罗计划的一部分，派遣宇航员进入月球的费用高达254亿美元，目前相当于约1500亿美元（经通胀因素调整后）。但是阿波罗并不是在真空中发生的，因此首先需要水星计划和双子座计划作为垫脚石。

这两个计划分别使大约23亿美元和100亿美元（经调整）分别投入了约23亿美元和100亿美元的资金，这使第一批美国宇航员进入了轨道，并开发了到达月球所需的专门知识。将所有这些加在一起，从1958年到1972年，您总共花费了大约1,630亿美元。相比之下，阿耳emi弥斯计划（这是自1972年以来首次将宇航员送回月球），在接下来的四年中将花费350亿美元年份！

这不包括将所有各种组件都带到游戏的现阶段的成本，例如到目前为止的SLS的开发，猎户座太空舱以及对Lunar Gateway，人类着陆系统（HLS）和机器人的研究任务。仅仅为了获得地球唯一的卫星，这就是很多钱。但是，与星际任务的费用相比，这算不了什么！

自太空时代到来之初，就将航天器送往最近的恒星提出了许多理论建议。每个提议的核心都是相同的关注点：我们能否一生中接触到最近的星星？为了迎接这一挑战，科学家们考虑了许多先进的推进策略，这些策略能够将航天器推向相对论速度。

其中，最直接的无疑是“猎户座计划”（Project Orion，1958年至1963年），该计划将依靠一种称为核脉冲推进（NPP）的方法。该项目由普林斯顿大学高级研究学院的通用原子的泰德·泰勒（Ted Taylor）和物理学家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）领导，设想了一个大型星际飞船，它将利用核弹头产生的爆炸力产生推力。

这些弹头将在飞船后面释放并引爆，产生核脉冲。这些将被安装在后部的压板（也称为“推动器”）吸收，该压板将爆炸力转化为向前的动量。该系统虽然很不雅观，却残酷简单且有效，并且理论上可以达到光速5％（5.4×10 7 km / hr，即0.05 c）的速度。

the，成本。根据戴森（Dyson）在1968年所做的估算，一架“猎户座”航天器的重量在40万吨至4百万吨之间。戴森最保守的估计还认为建造这种手工艺品的成本为3670亿美元（按通胀因素调整后为2.75万亿美元）。这约占美国政府2019年年收入的78％，占该国GDP的10％。

另一个想法是制造依靠热核反应产生推力的火箭。具体而言，作为一项可行性研究（名为Daedalus项目）的一部分，英国行星际协会在1973年至1978年间对“聚变推进”的概念进行了研究。最终的设计要求使用两级航天器，该航天器将通过使用电子激光在反应室中融合氘/氦3的颗粒来产生推力。

这将产生高能等离子体，然后将其通过磁性喷嘴转换为推力。航天器的第一阶段将运行2年多，使航天器加速至光速（0.071 c）的7.1％。然后，该阶段将被抛弃，第二阶段将接管并加速航天器，在1.8年的时间内将其加速至光速（0.12 c）的约12％。

然后将关闭第二级发动机，该船将进入46年的巡航期。根据该项目的估计，该任务将需要50年才能到达巴纳德之星（不到6光年）。经过针对Proxima Centauri的调整，相同的飞船可以在36年内完成飞行。但是，除了项目确定的技术障碍之外，还涉及巨大的成本。

即使按照不熟练概念的标准来衡量，完全燃料的Daedalus的重量也将高达60,000 Mt，成本超过52,670亿美元（基于2012年的估算）。调整到2020美元，完全组装的Daedalus的价格将接近6万亿美元。此后，由志愿者公民科学家组成的国际组织伊卡洛斯·星际组织（Icarus Interstellar）（成立于2009年）一直试图通过伊卡洛斯计划振兴这一概念。

另一个大胆而大胆的想法是反物质推进，它将依靠matter灭物质和反物质（氢和反氢粒子）。该反应释放出的能量与热核爆炸以及亚原子粒子（介子和介子）的淋洗一样多。然后，这些粒子将以光速的三分之一行进，被磁性喷嘴引导以产生推力。

不幸的是，生产甚至一克反物质燃料的成本估计约为一万亿美元。据美国宇航局先进推进技术集团（NASA Eagleworks）的罗伯特·弗里斯比（Robert Frisbee）的报告，两级反物质火箭将需要超过815,000公吨（900,000美国吨）的燃料，才能在大约40年的时间内到达半人马座Proxima。

达雷尔·史密斯（Darrel Smith）和Embry-Riddle航空大学的Jonathan Webby指出，一艘重达400公吨（441美吨）和170公吨（187美吨）反物质燃料的航天器可以达到光速的0.5。以这种速度，这艘飞船可能会在8年多的时间内到达Proxima Centauri，但是没有成本有效的方法来做到这一点，也永远无法保证。

在所有情况下，推进剂占这些概念总质量的很大一部分。为了解决这个问题，已经提出了可以产生自己的推进剂的变型。就聚变火箭而言，有Bussard Ramjet，它使用巨大的电磁漏斗从星际介质和磁场中“ sco出”氢，将其压缩到发生聚变的程度。

同样，还有反真空火箭星际探索者系统（VARIES），它也可以利用星际介质制造自己的燃料。由伊卡洛斯·星际公司（Icarus Interstellar）的理查德·奥布西（Richard Obousy）提出，一艘VARIES船将依靠大型激光器（由巨大的太阳能电池阵列供电），当在空旷的空间发射时会产生反物质粒子。

las，使用当前的技术，这些想法都是不可能的，它们也不在成本效益的范围之内（不是长远之计）。在这种情况下，除非有几项重大的技术发展可以降低相关成本，否则可以说，任何有关星际乘员飞行任务的想法都是不切实际的。

在我们一生中向其他恒星发送探测仍然是可能的，特别是那些依赖定向能量推进（DEP）的恒星。正如“突破性星散”或“蜻蜓计划”之类的提议所显示的那样，这些风帆可以加速到相对论的速度，并具有所有必要的硬件来收集任何轨道系外行星的照片和基本数据。

但是，此类探针是星际探索而非定居的潜在可靠且具有成本效益的手段。而且，星际通信所涉及的时滞仍然会限制这些探测器在向地球报告的同时还能探索多远。因此，外文明活动不可能使探查活动远远超出其领土范围。

对渗流理论的一种可能的批评是，它允许许多情景和解释，这些情景和解释将允许在这一点上发生联系。如果我们假设一个聪明的物种同样需要45亿年才能出现（地球形成和现代人类之间的时间），并且假设我们的银河系已经存在了135亿年左右，那仍然有90亿年的历史。

在90亿年的时间里，可能有多种文明来来去去，虽然没有一个物种能够在整个银河系中定居，但是很难想象这种活动会被忽视。在这种情况下，可能会被迫得出这样的结论：除了对实现文明的方式受到限制外，这里还有其他限制因素在起作用（伟大的过滤器，有人吗？）

但是，重要的是要提醒我们自己，费米悖论的拟议解决方案没有漏洞。同样，期望理论或理论家对一个问题的所有答案都像外星人的存在一样复杂（但数据贫乏），这与期望ETI自身行为的一致性一样不切实际！

总体而言，该假设非常有用，因为它打破了“事实A”固有的许多假设。 它还为回答基本问题提供了一个完全合乎逻辑的起点。 为什么我们没有收到任何ETI的消息？ 因为得出这样的结论是不现实的，那就是现在他们应该已经在银河系的大部分地区定居了，特别是在物理定律（如我们所知）排除了这种情况的情况下。 我们在《今日宇宙》上写了许多有趣的文章，涉及费米悖论，德雷克方程和寻找外星智能（SETI）。 是否要计算我们银河系中的外星物种数量？ 前往外星人文明计算器！ 并确保查看我们超越费米悖论系列的其他内容： 萨根（Sagan） 北纽曼 ......