對「費米佯謬」的純理智分析

「如果外星文明存在的話，它們早就應該出現了（If they existed, They』d be here）。」費米佯謬是一個簡單的命題，它的逆否命題是：「既然外星文明至今未出現，那說明它們不存在。」

讓我們先跳出存在與不存在的怪圈，暫時遺忘所謂的「黑暗森林」假說的擔憂，來進行一下純粹理智的演絡。

根據薩根的定義，在一個局部區域，如果通過一個由能量流驅動的反應循環，區域內的有序性不斷提高（熵值不斷降低，也就是指系統無序、混亂程度降低），這個區域就被認為是有生命的。

讓我們來開動腦洞，想像一下各種形態的生命：

有生命當然不等於是外星人，甚至外星人可以是無生命的（如例1）。

例1：超級外星人設想將一個星系甚至整個宇宙看作一個智慧體。不要認為可笑。或許太陽只是構成這個超級生物的一個原子。

假設1.1：外星人生活在暗物質或暗能量環境，因為我們對這兩樣東西實在不了解，實在難以更多想像。不過，物質世界與這兩個世界的相互作用實在太小。就是存在這樣的外星人，也絕不會對我們的地球有興趣。中子星和黑洞中可能的生物也面臨同樣的尷尬。可以參考的就只有行星或衛星了。關於行星或衛星上的生命，我有如下猜想

假設1.2：硅基生物。想像一堆天然凝結硅晶體，含有雜質。這些晶體偶然的凝結成各種結構：能將光轉換成電，又能又電生產硅。

我們來開動腦洞，想像一下各種形態的生命，為了便於分類，不妨將各種想像中的「生命」按照與人類類似的程度分級：

S級：

超越人類邏輯的生命，最有代表性的就是「無所不能的上帝」，顯然，一個無所不能的存在是違背邏輯的，通過簡單的邏輯假設就能證明「無所不能」不存在：祂能創造一塊自己舉不起來的石頭嗎？祂能創造出比自己能力更大的的生命嗎？

顯然S級要麼不存在，要麼超越了我們的邏輯以至於我們無法理解——假如是後者，那麼無所不能的祂能讓愚蠢如我們理解祂嗎？

由於S級是如此的超乎想像，我們的任何討論也就失去了意義。

A級：

符合邏輯，也就是符合數學的，但是超越物理層面的生命。由於探索技術的有限，人類的物理知識被鎖死在一定的範圍內：我們無法知道大爆炸「暴脹」階段以前的宇宙是什麼樣的：是否存在比強相互作用力更強的相互作用力？密度比普朗克密度更大的環境下引力場是怎樣的？已知的維度（無論是3個維度還是11個維度）以外是否存在更高的，但是不會幹涉已知維度的維度？超光速的快子是否存在（我個人比較傾向暗能量就是快子）？

我們能想像到的A級生命的猜想包括：暴脹場生命、快子生命、不同物理參數的宇宙的生命。無論哪一種生命，其生存環境都是不與我們的世界發生互相干預的（因為如果發生了互相干預，必然會有干預的痕迹）。比如暴脹場生命，其生活的暴脹場環境在大爆炸後10?32秒衰變成近乎均勻的夸克、玻色子、輕子。在這以前發生的「故事」無法被我們探測到，也不對我們產生任何影響（即使存在影響，我們也無法知道這是生物遺留的影響）。再比如快子生命，構成其「軀體」快子具有幾乎無窮大的速度。在相對論效應的作用下，一枚快子會在瞬間運動遍布整個宇宙，但是不會對我們生活的物質世界中的物質產生任何影響。

最極端的，假如我們的世界是一個缸中之腦想像的世界，那麼，缸的外面可能還應該有一個符合邏輯的世界。當然，缸外面的世界也可能是超越邏輯的，也就是S級：或許我們證明「無所不能」的邏輯方法本來就是缸外面的世界設計的一條代碼而已。

B級：

和我們統一宇宙的生命，其生命體由已知的物質（已知物質包括暗物質但不包括暗能量）構成，並且在三維空間存在形體。

顯然，「費米佯謬」中提到的外星文明至少應該屬於這一級別或者更低的級別（S,A級的即使降臨地球人類也不可能發現）。

我們對物質的了解已經足夠高了，完全可以嘗試遍歷所有的B級生命形式：

1：B級生命軀體的大小。物質的運動速度和以任何方式傳遞信息的速度是不能超過光速的，顯然，越大的生命軀體成長的速度也就越慢，假如星系是宇宙海洋中類似細菌的生物，那麼一億年才是它的一個生命周期（地球一般細菌約20～30min便分裂一次，即為一代），想像一下地球細菌用了幾十億年才進化成人類，等這些大傢伙進化出智慧至少要億億年——宇宙早可能早就被暗能量變成一無所有的真空了。

2：B級生命軀體的構成。人類的軀體由原子構成，原子間由本質為電磁力的原子間作用力結合。電子和原子核構成原子，人體的一切生命活動都在電子和原子核級別發生（地球人的線粒體不具備核反應獲得能量的能力）。

以下內容比較枯燥，不願意看的請跳過斜體字直接看結論，如果對我的結論有懷疑，再慢慢的審核斜體字部分，我本身理論物理知識有限，也歡迎大家指出錯誤

在宇宙暴脹結束以後，相互作用力只有4種：是萬有引力、電磁相互作用力、強相互作用力和弱相互作用力（暴脹結束以前可能存在其他的相互作用力，但是那屬於A級的生命了）。所以構成B級生命的最小單位必須由其中的一種或幾種力互相結合，結合強度足以保證最小單位不會隨機的脫離。

如果這種力是萬有引力，萬有引力只有在星際等級才有足夠的強度，那麼構成「萬有引力」生物的「原子」就是星球。由於大小的限制，星際級大小的生命不可能創造出文明。

如果這種力是強相互作用力，強相互作用力的距離大約在 10-15 m 範圍內，那麼構成該什麼的最小單位必須被強相互作用力束縛在10-15 m 範圍內才能保證生命的結構不會解體——強相互作用力不足以要把粒子約束在10-15 m的三維勢井中。同理，弱相互作用力也不行。

這樣一來，就只剩下電磁相互作用力一個選擇。

傳遞電磁相互作用力必須有正負兩種電荷，且其中一方必然是電子或正電子（否則就會發生衰變或湮滅）且不能兩方同時是電子和正電子（否則還是就會湮滅）。也就是說，構成生命的最小單位至少是包含電子或正電子的。帶電荷的基本粒子粒子只有電子、正電子和夸克。μ子夸克由於夸克禁閉至少要兩個結合在一起。雙夸克的帶電粒子帶電荷的粒子：電子、μ子、τ子 、六中夸克（及其反粒子）。其中電子、μ子、τ子不參與強相互作用力所以不可能聚集成團。夸克正好相反，想單獨存在都不行，至少2人一組。μ子、τ子和兩人一組的夸克都不穩定，半衰期最長的μ子才2.2微秒。所以構成B級生命的只能是電子、兩個及以上夸克結合成的粒子以及兩個及以上夸克結合成的粒子結合成的粒子（及其反粒子）——是不是有點繞口。

別擔心，「兩個以上夸克結合成的粒子」中，三個夸克組成的粒子叫重子，其中半衰期小於一秒的只有質子和反質子。所以構成B級生命的級別結構只有「電子-質子」和「正電子-反質子」兩種結構。兩種結構在不涉及弱相互作用力的情況下完全對稱，根據觀察宇宙中「電子-質子」佔據主導，顯然如果出現生命「電子-質子」結構是唯一的可能。電子和正電子不參與強相互作用力無法聚集成小於10-12 m的結構，只有質子可以在強相互作用力的作用下和中子聚集。最輕的重子是質子中子，越重的重子越不穩定，超過重子2的中子壽命相對於生物已經不可接受了（其壽命最長也是10^(-10)秒數量級）。更多的夸克結合體的還沒發現，即使發現了，至少其質量一定大於質子。 「兩個以上夸克結合成的粒子結合成的粒子」已知的只有一種，就是原子核。

如果存在質量介於電子和質子之間的穩定粒子，則其熵值必然極低。大爆炸過程中必然大量產生這種粒子， 1GeV能量以上的粒子對撞實驗也必然很容易可以產生出這種粒子。事實上大爆炸產生的穩定粒子只有電子質子中微子和中子（通過與質子結合變得穩定）。由於可觀測宇宙（半徑91 × 109光年）是均勻的，這一結果是可以推廣到整個視界內宇宙（半徑91 × 109光年）的。

對於大於中子質量的基本粒子，尚不能確定其都是不穩定的（三個夸克組成的超子壽命都小於10^(-8)秒，而更多夸克組成的粒子目前的研究還很有限）。然而由於大爆炸並沒有製造出大量的此類粒子，此類粒子即使存在也只能由夸克星等高能天體製造出來。而夸克星是不能存在生命的（前文所述，生命的軀體要保持三維結構就必須有相互作用力能夠把構成基本粒子束縛在小於基本粒子間距的範圍內，夸克星的密度高溫度高，其基本粒子距離小而能量高，任何基本力都無法完成這一束縛）

這樣一來，構成B級生命的只能是「電荷量是質子整數倍且質量電荷比大於等於質子的一坨夸克」和(正)電子。

綜上，B級生命唯一可能的構成就是「質子或含質子的粒子團-電子」。

這裡說明一下，量子色動力學和量子味動力學作為描述基本相互作用力的物理理論，雖然細節上還有很多爭議（比如超出標準模型的粒子），但是在理論物理界是大家都接受的。

即使這兩者力學理論存在問題，

由於我不是專門學基本粒子的，對B級生命的討論可能有所錯誤和疏漏，然而在可觀測宇宙，大部分的物質是以質子、中子、電子（包括三者的某些形式的聚合）和暗物質形態存在的，由於弱力不能構成生物，所以非原子形態的生物即使理論上可行，也是缺乏物質基礎的，唯一可能例外的情況就是夸克星（中子星是否會演變成夸克星尚有爭議），歡迎懂基本粒子和色動力學的朋友對B級生物進行補充。

C級：

和我們同一個元素周期表構成的生命。

對B級生命的討論得出結論，生命只能是「質子、中子、電子（包括三者的某些形式的聚合）」，——也就是原子或者叫化學元素。

周期表裡的元素和同位素就那麼多，不在同位素列表中的同位素即使存在也大多是半衰期極短的同位素。超鈾元素穩定島即使存在較穩定的元素，其半衰期也不可能超過萬年（或許是秒級別的），顯然，生命不能指望穩定島上的元素，而除了穩定島，宇宙再不可能製造出周期表外的穩定元素了。

讓我們把目光聚焦到周期表上的百餘個元素。

生物需要結構、能量、溶劑

結構

前面說過，所以構成生命的最小單位必須由其中的一種或幾種力互相結合，結合強度足以保證最小單位不會隨機的脫離。對於周期表元素構成的生物，結合力就是原子間作用力和分子間作用力（本質上都是電磁力），而最小單位則是原子，而等離子體由於不能固定構成其本身的物質，是不能構成生命的。

也就是說，構成生物的原子必須結合的足夠「強」以至於這些原子不會被熱運動變成隨機位置。

最理想的「結構原子」就是碳，碳碳鍵釘住的原子是宇宙中位置最穩定的原子，金剛石的硬度是已知最大的。（鋨的硬度可能超過金剛石，然而鋨在宇宙的任何地方都是稀有的），其他候選的原子包括：碳、氮、過度金屬、鈹、硼、鋁、硅、硫、磷等等。

但是有幾點是明確的：氫不能成為結合原子（只有一個配位鍵），氧硫不能單獨成為結合原子。

能量

生物除了結構原子還需要能量，地球生物圈主要的能量循環是以碳水化合物最為承載的。

在光合作用過程，光能電離水產生遊離氫，還有部分能量傳遞給ATP，然後ATP的能量輔助下遊離氫與二氧化碳結合成碳水化合物，有氧呼吸則幾乎是反過程：碳水化合物釋放少量能夠產生氫原子，氫原子氧化產生大量能量。

熟悉燃料電池的朋友會發現其實線粒體就是最好的燃料電池。

溶劑

燃料電池除了燃料還必須有電解質，事實上由於生物不能是等離子體或高溫體（結構原子的結合強度決定），化學反應不可能在高溫氣相下進行。熟悉冶金和化工的知道，化學反應無非是火法或者濕法，火法不行則只能選濕法。所以生物離不開液體溶劑。

做電池電解質設計的知道，液體溶劑要支持高能反應，本身必須是足夠穩定的，如果本身電離電壓只有。0.5V，那麼就無法承受超過0.5V的電化學過程。同理，生物體選擇的溶劑決定了生物獲取和儲存能量的上限。

宇宙中常見的中低溫液體：水、液態氫、液態甲烷、液態氨、液態氮、液態氧、液態二氧化碳、液態硫、四氧化二氮、二氧化硫、濃硫酸以及其中某些的混合物（顯然需要不發生化學反應才能混合）

液態氫做不了電解質×，液態氮、液態氧、液態硫、四氧化二氮同理×

液態甲烷、液態氨的電離電壓很低，不足0.1V（具體依照溫度而定），也就是說液態甲烷、液態氨為電解質的生物無法進行電化學電壓超過0.1V的化過程。

類似的，以水為電解質的地球生物無法把硅、鐵、鈉、氯、氟這樣的元素變成單質。

二氧化硫、濃硫酸的電離電壓同樣比水低很多（注意濃硫酸的電離是分解成亞硫酸或二氧化硫），而且在宇宙中比水更加稀少。

讓我們回顧前文的結構元素，由於溶劑的限制，無論水電解質生物還是非水電解質生物，都無法把鈦、硅、鐵等強碳化物形成元素從氧化態變成遊離態或碳化、氮化態，如果要存在「硅基、鐵基、鋁、鈹、硼基生物」，就必須存在非氧化態的硅、鐵等供其吸收（並沒有），然而這些元素在宇宙中除了等離子體基本都是氧化態的。

好了，結構元素只剩碳、氮、硫、磷了，氮氮鍵、氮氧鍵、氮硫鍵都不穩定，氮還剩離不開碳作為生物結構，目測只剩磷硫了。

磷硫和碳一樣，屬於和誰都能結合，和自己也能結合的原子，然而磷硫無論和什麼結合，形成的化學鍵都很「弱」（想像一下白磷的硬度和金剛石的硬度），由它們作為結構原子的生物（如果存在）將會脆弱的令人髮指。

綜上，碳基-水電解質生物實際上已經是B級生物的最優解，其次是碳基-氨電解質生物，再次是磷硫基——周期表就這麼大，並無其他解。

關於超級硅基生物假說：很多人疑問，你說硅/金屬基生物不可能存在，那你是什麼？這就需要所謂超級硅基生物假說，超級硅基生物，允許高溫氣體作為生物構成，所以不再苛求電解質，為了避免高溫氣體打亂自身原子排列，超級硅基生物存在隔熱結構，然而超級硅基生物是無法自然進化產生的（大型有序結構不能進化產生，這裡的有序是量子態級別的有序），一般認為，全人類的工業體系構成一個「准超級硅基生物」（因為工業還需要人力和木頭等碳基生物），理想的超級硅基生物是否存在尚不確定，我個人認為，即使存在超級硅基生物，也是要依賴碳基構件的。

D級

碳基-水電解質生物。

以地球生物為代表的，碳基-水電解質生物（下文簡稱碳水生物），可能具有的結構太多，我們不一一論述，然而我們仍然能夠估計碳水生物對環境的要求。

通常認為，碳水生物必須形成膜結構，即疏水-親水分子在水環境下排列成的具有流動性的膜，必須存在遺傳物質（請大家開動腦洞構思非膜結構或者無遺傳物質的細胞，我已經老了 o(︶︿︶)o）

水，必須是液態水，常壓下0~100℃。即使加高壓保持液態，如果溫度超過100℃，高溫會使氫鍵斷裂，破壞膜結構破壞。而智慧生物，對高溫的耐受是更差的，因為高溫產生的破話即使概率很低，在複雜系統（腦）中也是嚴重的。事實上，地球人的37℃體溫並不完全是適合環境的結果，在熱帶，保持39℃的體溫才是最節省成本的（人體散熱的結構比保溫的結構發達的多），然而人體（腦部）的溫度卻最終進化在37℃。事實上即使是有機膜結構的燃料電池，在80℃以上也會迅速損壞。我們有理由相信碳水生物是很難很難適應80℃以上的環境的（某些簡單細菌能在更高的溫度下生存，然而他們都是極其簡單的，比如海底火山口的化能細菌），越複雜的碳水生物，耐受炎熱的能力越差。

生物要獲取能量。化學能：地球上存在化能自氧菌（最初的生物也可能是此類），但是，穩定的、大量化學能供給是不可能存在的（高能則不穩定），所以單純化學能基礎不可能支撐起複雜的生物圈系統。原子能：引發原子能所需的能量超過了電解質（水）的電解電壓（原子能通常需要MeV級別的能量，水才1.2V），完全沒有可能。熱能：熱能必須存在溫差才能吸收效率極限（η<1-T2/T1），然而如果生物是μm級別的（最初的生物就真么大，複雜生物的線粒體和葉綠體也如此），它所處環境的溫差小到忽略不計，所以熱能無法被簡單生物利用，能量的利用是從簡單生物開始的（線粒體和葉綠體可能曾是單獨的生物），簡單生物無法利用熱能，複雜生物也無法進化出熱能利用系統。電能：天然電能（閃電）太狂暴不予考慮。

只剩下光能和機械能（風潮汐等）了。

恕我想像力不足，無法現象出風力細菌，所以只對光能進行考慮。

光能的利用率，具體見該詞條：https://www.zhihu.com/question/265494436

由於二氧化碳和氧是氣體的，所以複雜生物必須有一個大氣環境（即使是海洋溶解氧和二氧化碳至少也需要氣壓）

D級需要的星球

由於我們討論的是費米佯謬，永遠只是幾個細菌的化能生物圈不予考慮，所以這顆行星溫度0~100℃（至少某些區域常年處於5~60℃供智慧生物生存，較熱的星球智慧生物生活在極低，但是由於極低少光且輻射強烈，其智慧生物的進化將比人類更加困難），光線充足，表面富含碳氫氧，聽起來不稀奇？

作為臨近的恆星，如果超過1.5太陽質量，壽命不足20億年，不予考慮，質量小於0.5太陽質量，則光線暗淡。其亮度遠遠小於太陽，如果行星要獲得足夠的表面溫度，就必須很近———然後自轉就會被潮汐作用鎖死，一天等於一年，環境太過惡劣。

行星本身要有足夠的引力和磁場阻止大氣的逃逸，通常認為這需要一個熔融的鐵地核。最後如果外星人想發展工業，那麼他們的星球至少需要有煤或者石油——這需要板塊運動和大量的生物遺骸。

這些條件都滿足了，130億年已經過去了。。。。。。

有人提出，如果恐龍進化出文明，那麼地球是否可以早一億年進入工業文明呢？這是可能的。雖然恐龍時代沒有煤炭，但是石油是有的（應該也必將少），智慧恐龍發明水車後直接發現電磁感應，進入電氣時代。煤炭的恐龍只能用木炭冶金，發展的會慢一點，不過幾萬年走完工業革命還真有可能，說不定還比人類走的更遠。畢竟沒有得「化石燃料依賴症」。

（發文發的比較急，有不少錯別字，希望不影響大家的閱讀，也感謝大家指出^_^;

本來後面還有科技天花板的內容，論證外星文不可能到達地球的，可是還沒寫完，主要是涉及材料硬度和馮諾依曼自動複製機的時候，量子場論和資訊理論的知識不夠，在此求高手指點）

推薦閱讀：