外星人尚未到来?
到目前为止，人类尚未在地球上找到外星人留下的痕迹，但在一些科学家看来，这并不代表外星人不存在——就算外星人遍布银河系，我们也不必为地球至今未被造访过而感到惊讶。
1790年1月15日，英国皇家海军“邦蒂”号的9名叛变船员、来自塔希提岛的18个成年人及1名婴儿登上了皮特凯恩群岛（Pitcairn Islands）。这里地处南太平洋，离这座群岛最近的岛屿也在数百千米之外，堪称与世隔绝。
在14世纪，还有玻利尼西亚人在皮特凯恩群岛居住，但此后的几百年里，这个地方一直了无人烟，直至“邦蒂”号船员上岛。岛上的原住民可能存在了几个世纪，但由于自然资源枯竭，加上和其他岛屿的冲突导致贸易和补给被切断，皮特凯恩群岛上的居民逐渐消失了。这个至少看上去曾经宜居的地方最终变得没有人烟，直到1790年，“邦蒂”号船员抵达那里。此后，尽管皮特凯恩群岛上有人看到过远处有船只经过，但直到18年后，才有另一艘船在这里靠岸。
皮特凯恩群岛的故事只是南太平洋上人口迁徙的一个极端案例。在波利尼西亚、密克罗尼西亚和美拉尼西亚，南太平洋数百万平方千米的海域中散布着数万座岛屿。其中许多只不过是由岩石和珊瑚构成的凸起，即便是宜居的地方也并非总是有人居住。不过总体而言，对于在汪洋大海中穿行的人来说，它们是一大片潜在的文明定居地。
“哈特的事实A”
地球上的环境与我们的宇宙环境有着惊人的相似之处。在银河系中，可能存在着约3000亿颗恒星。根据美国航空航天局开普勒望远镜对太阳系外行星的搜索，科学家估计，在银河系的星海里，超过100亿颗小型岩质行星有着宜居的表面环境。就像地球上的岛屿，这些行星会产生并维系生物系统，可以为任何想进行星际移民的物种提供落脚点。这正是最有趣的地方。
就像西欧人最终所意识到的，沿着几座岛屿，仅靠划小船，人类就能穿越辽阔的海域。同样，生命在银河系中的扩散不需要长久的驻留地，也无需相当长的时间（这里是指宇宙尺度上的时间）。
一个广为人知的故事是，美国物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）在1950年和一群年轻科学家吃午餐时，首先意识到了这一点。如故事所传说的，他问了在座的科学家一个问题：“你们就没有想过其他人都在哪儿？”这里的“其他人”指的是具有星际旅行能力的物种。费米的话多少有点被误解，所以随着时间的流逝，这个问题演变成了费米悖论：除非高技术文明濒临灭绝，否则目前他们应该散布于银河系的每个角落，但我们却从未发现他们的踪迹。费米以擅长在脑海中进行估算著称，他通过估算发现，不消百万年的时间（在宇宙尺度上，一百万年时间只能算是一瞬间），生命就会遍布在银河系各处。
1975年，美国天体物理学家迈克尔·哈特（Michael Hart）第一个对这个问题进行了真正的定量研究，提出了现在被称为“哈特的事实A”（Hart's fact A）的观点：目前，地球上没有外星人。对于大多数头脑清醒的人来说，这是一个毋庸置疑的事实。
正是基于这个事实，哈特得出结论，不管是过去还是现在，银河系都不存在其他的技术文明。就如费米最初的看法，这一结论的关键点在于，即便使用速度远小于光速的中等推进系统，穿越直径10万光年的银河系也仅需要相对较短的时间。
美国物理学家弗兰克·蒂普勒（Frank Tipler）也研究了这个问题。和哈特一样，他在1980年指出，在不到100万年的时间里，有意移民的外星人会遍布银河系。考虑到太阳系的年龄约为45亿年，银河系的年龄则至少有100亿年，外星生命有极其充足的时间来涉足银河系所有宜居的星球。
但关键在于，这些研究所探讨的生命扩散过程多少有些不同。哈特假设某个生物物种“亲自”去移民，而蒂普勒考虑的则是一群可自我复制的星际探测器不受控制的扩散：在大多数的移民过程中，恒星系统及其行星是宜居的；如果它们还不具备这样的条件，则可以充当发射去往新行星系统的基地。对于蒂普勒的可自我复制的机器人来说，扩散的主要限制因素是制造下一代机器人所需的能源和原材料。
更简单的解释
所以你看，关于外星生命，不同科学家的想法存在根本的差别，正是这种差别，凸显了探讨星际移民的巨大挑战。任何类似的研究中总是有大量重要的假设。一些是合理且易于证明的，但其他的则难以捉摸得多。例如，所有的理论都涉及对星际旅行所用技术的猜测。此外，当一个物种亲自远征而非派出机器人时，最根本的假设是生命能在任何形式的星际旅行中存活下来。
我们知道，哪怕以10%的光速飞行，都需要一些非常疯狂的技术，例如氢弹推进或者由激光驱动的光帆。此外，还需要防护星际气体原子对船体的侵蚀以及星际岩石对飞船的破坏。在以相对较高的速度飞行时，每一块石头的撞击都犹如一颗炸弹。以较低的速度行进时会更安全得多，但从一颗恒星去往另一颗恒星会耗时几百年甚至上千年，目前还不清楚在这一远超个体寿命的时间跨度上，如何能让船员健康地存活下来。
然而，争议最多的假设则事关星际移民的动机以及对文明寿命的假定。例如，如果某个外星物种对去往其他恒星根本就不感兴趣，银河系移民的整个想法就会不成立。这是美国天文学家卡尔·萨根（Carl Sagan）和威廉·纽曼（William Newman）在1983年所提出的一个论点，以此来反驳地外文明研究中的唯我论方法。但如我的同事、天文学家贾森·赖特（Jason Wright）所指出的，这类观点本身就是一个“单一文化的谬论”。换句话说，这需要整个种族的行为完全一致，犹如仅有一个统一的思想。我们人类显然不符合这一条。即便银河系中大多数具有星际旅行能力的文明无意于星际移民，它们也不应该都反对把生命和技术扩散到数千亿个恒星系统中去。
事实上，科学家对费米悖论中的假定有过很多讨论，也提出过各种各样的答案。但这些答案鲜有可检验的。尽管有些想法相当直接，但其他的想法严格意义上说都属于科幻。例如，即便是对于一个高技术物种来说，获得高速星际飞行能力的成本也会非常高昂。在这一前提下，星际探索者的数量肯定不会太多，这也能解释“哈特的事实A”。或者，如许多科学家所提出的，物种数量的增长并不会成为一个物种向外扩张的主要动力，尤其是那些能抑制贪婪的冲动，并能在自身的行星系统中可持续发展的物种。除了科学探索之外，最终的绿色革命也会消除这类物种去往外星的动力。
还有一些听上去更为不妙的观点，例如“大过滤器”的概念。这种观点认为，总是存在某种东西会制约某个物种，也许绿色革命不可避免地会失败，导致所有潜在技术文明内爆式灭绝。或者，从超新星爆发到银河系中心黑洞的爆发，自然灾害也许会定期地遏制银河系中的生命，使之无法扩散。
更加骇人的观点还有“动物园假说”。这个假说认为，外星人故意隔绝了人类。还有一些在我看来比较偏执的想法：虽然存在着其他文明，但由于对外星生物的恐惧，它们躲藏了起来，拒绝与其他物种通讯。
也许，有更加简单的方式来解释我们为什么还没有发现地外文明。答案也许就在我们的眼皮底下——这与南太平洋诸岛上，人类的生存随时间变化的情况有一定的相似性。不管是在地球上，还是在其他星球上，从稀有的宜居点前往另一个落脚点所需要的时间，都是由一些基本且普适的因素决定的。
无法排除的可能
时间来到2015年。一天，我和美国罗切斯特大学的亚当·弗兰克（Adam Frank）在哥伦比亚大学校园附近共进午餐。如同费米在65年前的午餐一样，我们谈的是具有星际飞行能力的物种的本性。受到费米即兴心算的鼓舞，我们试图提出一种研究策略，尽可能不使用无事实根据的假设，而是可以利用真实数据来检验或限定相关的假说。这个策略的核心是一个简单的想法，就像皮特凯恩群岛上短暂存在的居住者一样，星际探索或移民的浪潮也许在银河系中也是时起时落，而人类碰巧处于一个这样的低谷期。
这个想法可以解释“哈特的事实A”，即没有证据能支持今天的地球上存在外星人。但是，如果我们可以弄清楚地球未曾有过外星人造访的确切时间跨度，那么是否可以给银河系是否存在外星人加上一个有意义的限制条件？也许很久很久以前外星人曾经来过地球，然后又走了。多年来，许多科学家都在讨论寻找外星人造访太阳系之后留下人造物的可能性。
但是，搜寻范围要多大才行？这很难说，但在地球上进行搜寻，肯定是可行的。2018年，我的另一个同事、美国航空航天局戈达德空间研究所的加文·施密特（Gavin Schmidt）以及亚当·弗兰克一起进行了一个重要的评估：我们能否确定，在现代人类之前，地球上曾存在过一个更早的工业文明。
这是一个很有意思的问题。和大多数行星科学家一样，施密特和弗兰克认为，时间其实很容易就能抹掉技术文明在地球上留下的所有痕迹。100多万年后，唯一能留下的证据只会剩下同位素或地层化学中的异常，例如合成分子、塑料或者放射性沉降物等奇怪特征。化石遗迹和其他的古生物学印记需要特殊的形成条件，因此会十分罕见，无法告诉我们任何东西。
的确，现代人类的城市仅覆盖了地球表面约1%，只为遥远未来的古生物学家提供了非常小的目标区域。施密特和弗兰克还得出结论，迄今没有人真正彻底地在地球上寻找过非自然的迹象。那么，如果几百万年前存在一个规模和现代人类文明相当的工业文明的话，我们也许无从知晓。但这绝对不意味着曾经真的存在过工业文明，而仅仅表明，这一可能性无法被严格地排除。
“银河群岛”
过去几年，在美国罗切斯特大学的乔纳森·卡罗尔-内伦班克（Jonathan Carroll-Nellenback）和宾夕法尼亚州立大学的贾森·赖特（Jason Wright）开展的一项研究中，我们研究了这些观点在更大的星系尺度上的意义。我们取得了一个关键进展：通过一系列计算机模拟，辅以传统的手工计算，我们建立起了一幅更加真实的图像，可以反映出物种会如何在星系中扩散。
如果拍摄一张太阳周围几百光年内恒星的照片，你就会发现它们的运动就像气体中的粒子。相对于空间中某个固定的点，某颗恒星会沿着随机的方向、以较快或较慢的速度运动。进一步放大到数千光年的尺度，你就会注意到宏观且整体的运动——恒星会以2.3亿年左右的周期绕银河系中心转动。越靠近银河系中心的恒星，周期越短。有一些高速运动的晕族星会钻进或钻出银盘面，它们是包围着银盘的球形恒星晕的成员。
这意味着，对于寻找合适恒星的文明来说，距离最近的恒星会随着时间的流逝发生显著的改变。我们的太阳系就是一个很好的例子。目前距离我们最近的恒星是4.24光年之外的比邻星，但约1万年后，它的距离会缩短到3.5光年，大大缩短了星际旅行的时间。如果能等上3.7万年的话，距离我们最近的恒星会变成一颗小型的红矮星罗斯248，到地球的距离也只有3光年多一点。
为了对不断变化的“星图”建模，我们在模拟中构建了三维的“恒星盒子”，恒星在里面的运动轨迹类似于它们在银河系局部的真实运动。我们可以把其中一颗恒星看作某个文明当前所在的位置，然后开始模拟星际移民。这样的文明寿命是有限的，因此它也可能从一个恒星系统中消失。在具备向最近的恒星发射探测器或移民之前，一个文明也会存在等待期。所有这些因素都可以改变、调整，这样我们就可以研究它们对结果有什么影响。在大量的可能性之下，星际移民呈现出了一种自我扩散的形式，看起来有点乱糟糟。而这种形式的扩散速度是验证费米悖论的一些可能解释的关键。
我们的发现既简单又微妙。首先，银河系中类似中性气体的恒星运动意味着，即便是以每秒约30千米的速度运动，最慢的星际探测器也能在远小于10亿年的时间里，带着“移民先锋”贯穿银河系。这样的速度差不多是目前“旅行者”1号朝太阳系外运动速度（每秒17千米）的两倍。如果考虑银河系自转或晕族恒星的其他运动，所需时间会进一步缩短。换句话说，就像费米所认为的，让银河系中充满生命并非难事。不过，到底该如何让银河系中充满生命却取决于宜居行星的数量，以及一个文明能在某颗行星上存在的时间跨度。
在极端情况下，通过削减可用行星的数量并把文明的寿命控制在10万年左右，可以很容易地让银河系变得毫无人烟。在另一个极端情况下，也可以很容易地调整参数，使得银河系中充满了星际移民者。事实上，如果宜居行星足够多，文明所能持续的平均时长其实无关紧要。如果它们能始终掌握星际旅行的技术，他们中就会有足够的人继续探索，最终足迹遍布银河系。
但在这两种极端情况之间，存在着最吸引人、可能也更真实的情况。当银河系中宜居行星出现的概率处于某个中间值时，有意思的事情就会发生。特别是，银河系某些区域中，宜居行星的数量可能会比较多，那么星际探访者就会一波又一波地不断造访这里，或反复向这里移民。这就像是一座群岛。而在这些行星系统周围，通常是广袤且无人的太空，其他行星不是太远，就是散布得过稀而无法移民。
“银河群岛”这种说法能解释地球的处境吗？也许真的可以。例如，如果典型的行星文明能延续100万年，并且如果仅有3%的恒星是真正宜居的，那么地球这样的行星大约会有10%的概率至少在过去的100万年内未被造访过。换句话说，我们很有可能处于银河系中一个相对孤立的区域里。
反过来，这个理论也暗示，银河系中的其他地方可能存在星际物种，对它们来说，星际造访者可能司空见惯。这一情况并不是极端的假说，只需相当寻常的行星数量和银河系常见的恒星运动方式，这种情况就可能发生。虽然它还依赖于星际旅行可行性的假设以及某个物种真的进行星际旅行的概率，但其他这些因素都是可以调整的参数。随着对太阳系外行星认识的不断增加，诸如宜居行星的数量这样的一些因素已经为天文学家所知。其他一些因素，例如文明的寿命，则有待仔细的研究，因为我们也需要应对地球的可持续发展问题。
对我们而言，发现“星际群岛”或者正在扩散的“移民先锋”的可能性是存在的。不要把对地外文明的搜寻对准已知的单颗太阳系外行星，而是对准那些恒星分布有利于星际扩散或形成“群岛”的区域，这或许会是一种有趣的新策略。直到最近，我们对银河系中恒星的三维分布的认识依然有限，但欧洲空间局的盖亚卫星正在勘测10亿颗天体及其运动，由此也许可以找到我刚刚提到的那类探测热点。
然而，费米悖论或许根本就不存在。我和同事们的研究显示，对于一颗类似地球的宜居行星来说，没有证据表明曾有外星物种造访或移民其实是非常正常的现象。对于银河系，无论是根本不存在高技术文明，还是充满了星际探险家，都是很正常的。就像太平洋中的皮特凯恩群岛在300年里一直处于无人的状态，地球目前的情况或许也是这样。如同波利尼西亚人在岛上仅存在了几百年一样，真正的问题是，我们的文明能否会延续到星际移民潮到来的那一天。
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