1950年的一天，美籍義大利裔物理學家恩里科·費米（Enrico Fermi）與洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）的一些同事共進午餐。五年前，費米曾在這裡工作，參與了曼哈頓計劃（Manhattan Project）。根據流傳的各種說法，午餐期間的談話內容轉向了外星人和最近一連串的不明飛行物。為此，費米發表了一份足以載入史冊的宣告：“大家都到哪裡去了?”

這成為了費米悖論的基礎，費米悖論指的是對外星智慧（ETI）存在的高機率估計與明顯缺乏證據之間的差距。

自費米時代以來，對於他的問題已經提出了幾種解決方案，其中包括非常真實的可能性，即星際殖民遵循滲流理論的基本規則。

費米悖論背後的一個關鍵假設是，考慮到行星的豐富性和宇宙的年齡，一個先進的外星文明現在應該已經在我們銀河系的很大一部分完成殖民了。考慮到僅在銀河系中（已有135億年曆史），估計有100至4000億顆恆星，這當然不是沒有優點。

另一個關鍵假設是，智慧物種將被激勵去殖民其他恆星系統，作為探索和擴大其文明覆蓋範圍的自然驅動力的一部分。

最後，但並非最不重要的一點是，它假設星際太空旅行對於先進的外星文明來說是可行的，甚至是實用的。但這反過來又歸結為這樣一個假設：技術進步將為星際旅行這一最大挑戰提供解決方案。

簡而言之，宇宙飛船從一顆恆星旅行到另一顆恆星所需要的能量大得令人望而生畏，尤其是在有載人的大型宇宙飛船上。

相對論就像一個“苛刻”的女主人

1905年，愛因斯坦發表了他的開創性論文，在論文中他提出了狹義相對論。這是愛因斯坦試圖調和牛頓運動定律和麥克斯韋電磁方程，以解釋光的行為。這個理論從本質上說，光的速度（除了恆定之外）是一個絕對的極限，物體不能超過這個極限。

這可以用著名的方程E=mc2來概括，也就是眾所周知的“質能等效性”。簡而言之，這個公式將粒子在靜止座標系中的能量（E）描述為質量（M）與光速的平方（C2）的乘積，300000公里/秒。其結果是，當一個物體接近光速時，它的質量總是增加。

因此，一個物體要達到光速，就必須消耗無限的能量來加速它。一旦達到C，物體的質量也會變得無限大。簡而言之，達到光速是不可能的，更不用說超越它了。因此，除非我們對物理學的理解發生重大變革，否則超光速推進系統是不可能存在的。

這就是生活在相對論宇宙中的結果，在相對論宇宙中，即使以光速的一小部分旅行也會需要付出巨大的能量。

多年來，物理學家和工程師們提出了一些非常有趣和創新的想法，希望星際旅行成為現實，但這些載人概念中沒有一個可以算是“划算/高性價比”的。

原則問題

這就提出了一個非常重要的哲學問題，它與費米悖論和ETIs的存在有關。這正是哥白尼原理，它是以著名天文學家尼古拉·哥白尼的名字命名的。

這一原理是哥白尼關於地球的論點的延伸，即地球在觀察宇宙時並不處於獨特和優越的位置。

將其擴充套件到宇宙學領域，該原理基本上斷言，當考慮智慧生命的可能性時，不應該假設地球（或人類）是獨一無二的。同樣，這一原理認為，我們今天看到的宇宙是標準的代表，即它處於平衡狀態。

而相反的觀點認為，人類在觀察宇宙時處於獨特和特權的位置，這就是所謂的“人擇原理”。簡而言之，這一原則指出，觀察宇宙以尋找生命和智慧的行為本身就要求支配宇宙的法則有利於生命和智慧。

如果，我們接受哥白尼的原則作為指導原則，我們就不得不承認任何智慧物種都將面臨與我們一樣的星際旅行挑戰。

由於我們無法預見到繞過這些問題的方法，除非我們在理解物理學方面取得重大突破，也許其他外星物種也沒有找到可行的方法。

這會不會是“大沉默”的原因呢？

起源

隨著時間的推移，距離和時間可能是一個因素（與費米悖論有關）的概念得到了相當多的考慮。

卡爾·薩根（Carl Sagan）和威廉·I·紐曼（William I.Newman）在1981年的研究“銀河文明：人口動態和星際擴散”中提出，ETIS的訊號和探測器可能還沒有到達地球。這遭到了其他科學家的批評，他們認為這與哥白尼原理相矛盾。

根據薩根和紐曼自己的估計，ETI探索整個星系所需的時間等於或小於我們星系本身的年齡（135億年）。如果外星文明的探測器或訊號還沒有到達我們這裡，這就意味著有知覺的生命是在最近才開始出現的。

換句話說，實際上銀河系處於一種不平衡的狀態，從一個無人居住的狀態轉換到有人居住的狀態。

然而，傑弗裡·A·蘭迪斯（Geoffrey A.Landis）對物理定律施加的限制提出了可能是最令人信服的論點。

他在1993年發表的論文《費米悖論:基於滲透理論的方法》中指出，作為相對論的結果，外星文明在銀河系中只能擴充套件到這麼遠的距離。

蘭迪斯的核心論點是被稱為“滲透理論”的數學和物理統計概念，它描述了當節點或連結被移除時網路的行為。根據這一理論，當足夠多的網路連結被移除時，它就會分解成更小的相互連線的叢集。蘭迪斯認為，同樣的過程在描述殖民過程中發生的事情時也很有用。

簡而言之，蘭迪斯提出，在一個在統計上有可能存在智慧生命的星系中，地外文明之間不存在“動機一致”。相反，他的模型假設了各種各樣的動機，有些人選擇冒險出去開拓殖民地，而另一些人則選擇“呆在家裡”。

他解釋是這樣的：

“因為這是有可能的，如果有足夠多的外星文明，肯定會有一個或更多的外星文明這樣做，可能出於我們不知道的動機。殖民化將會花費非常長的時間，而且會非常昂貴。

我們可以很合理地設想，並非所有的文明都願意花這麼大的代價來換取遙遠的將來的回報。人類社會是由一種混合的文化組成的，這些文化探索和殖民，有時跨越非常大的距離，而這些文化對這樣做沒有興趣。”

總而言之，一個高階物種不會迅速或持續地在銀河系殖民。相反，它會向外“滲透”到一個有限的距離，在那裡，不斷增加的成本和交流之間的滯後時間造成了限制，殖民地會進化出了自己的文化。因此，殖民不會是統一的，而是在任何給定的時間都會以叢集的形式發生，其中大片區域仍未被殖民。

在歐空局的支援下，TU代爾夫特星際飛船團隊(DSTART)正在設計一種多代飛船的概念。

亞當·弗蘭克（Adam Frank）和美國國家航空航天局（NASA）系外行星系統科學（NExSS）的Nexus的一組系外行星研究人員在2019年也提出了類似的論點。

在一項名為“費米悖論和極光效應：外文明定居、擴張和穩定狀態”的研究中，他們認為銀河系的定居也將以星系團的形式發生，因為並非所有潛在的宜居行星都適合殖民物種居住。

當然，蘭迪斯的模型包含了一些他事先提出的固有假設。

首先，有一種假設認為，根據物理定律，星際旅行是困難的，而且有一個可以直接建立殖民地的最大距離。因此，一個文明只會在離它的家園合理的距離內進行殖民，超過這個距離之後就會發生二次殖民。

其次，蘭迪斯還假設，原始文明對它創造的任何殖民地都會有微弱的把握，而這些殖民地發展自己的殖民能力所需的時間將非常長。因此，任何建立起來的殖民地都會隨著時間的推移發展自己的文化，它的人民會有一種不同於母體文明的自我意識和認同感。

正如我們如果使用目前的技術，到達比鄰星（4.24光年）需要1000到8.1萬年。

儘管有些概念允許相對論旅行（光速的一小部分），但旅行時間仍將是幾十年到一個世紀以上。 而且，成本將非常高昂（詳情參閱下文）。

但是，把殖民者帶到另一個星系僅僅是個開始。

一旦他們在附近的一顆宜居行星上安頓下來（並不是全部滅絕），並擁有星際通訊的基礎設施，仍然需要至少八年半的時間才能向地球傳送資訊並收到答覆。這對於任何希望對其殖民地保持集中控制或文化霸權的文明來說都是不切實際的。

太空活動是非常昂貴的！

從長遠的角度來看，考慮一下人類自身太空探索歷史的相關成本。在1961年至1973年間，作為阿波羅計劃的一部分，將宇航員送上月球花費了254億美元，換算成今天是大約1500億美元（考慮了通貨膨脹調整後）。

但是，阿波羅計劃並不是在真空中發生的，首先需要水星計劃和雙子計劃作為墊腳石。這兩個專案分別耗資23億美元和100億美元（調整後），將第一批美國宇航員送入軌道，並發展了登上月球所需的專業知識。把它們加起來，從1958年到1972年，總共花費了大約1630億美元。

阿波羅10號土星V在推出期間。

相比之下，自1972年以來首次讓宇航員重返月球的阿爾忒彌斯計劃，在接下來的四年裡將耗資350億美元！這還不包括將所有不同元件帶到這個階段的成本，比如迄今為止開發的SLS、獵戶座太空艙、對月球通道的研究、人類著陸系統（HLS）和機器人任務。

僅僅為了到達地球上唯一的衛星，這已經是一大筆錢了。但與星際任務的成本相比，這根本算不了什麼！

去星際旅行嗎？

自從太空時代開始以來，關於將宇宙飛船送到最近的恆星，已經提出了許多理論上的建議。每一項提議的核心都是同一個問題：我們能在有生之年到達最近的恆星嗎？

為了應對這一挑戰，科學家們設想了一系列先進的推進策略，能夠將航天器推到相對論的速度。

其中，最直接的肯定是獵戶座計劃（1958年至1963年），它將依靠一種被稱為核脈衝推進（NPP）的方法。由通用原子公司的泰德·泰勒和普林斯頓大學高階研究所的物理學家弗里曼·戴森領導的這個專案設想了一艘大型星際飛船，它將利用核彈頭產生的爆炸力來產生推力。

這些彈頭將在航天器後面釋放並引爆，產生核脈衝。這些壓力會被後置的壓力板(也就是“推進器”)吸收，把爆炸力轉化為前進的動力。

雖然不太優雅，但該系統極其簡單和有效，理論上可以實現高達5%光速（5.4×107公里/小時，或0.05C）的速度。

獵戶座計劃的概念是核動力航天器。

至於成本，實在是太高了！根據戴森1968年的估計，獵戶座飛船的重量在40萬到400萬公噸之間。最保守的估計，建造這樣一艘飛船的成本為3670億美元（剔除通貨膨脹因素後為2.75萬億美元）。這約佔美國政府2019年年度收入的78%，佔該國GDP的10%。

另一個想法是建造依靠熱核反應產生推力的火箭。

具體來說，聚變推進的概念是由英國星際學會在1973年至1978年間研究的，這是一項被稱為“代達羅斯”專案的可行性研究的一部分。

由此產生的設計需要一個兩級航天器，它將透過使用電子鐳射在反應室中融合氘/氦-3的顆粒來產生推力。這將產生一種高能等離子體，然後透過磁噴嘴將其轉化為推力。

航天器的第一級將執行兩年多一點時間，並將航天器加速到光速的7.1%（0.071c）。然後，第一級將被丟棄，第二級將接管航天器，並在1.8年的時間裡將航天器加速到約12%光速（0.12C）。然後，第二級發動機將被關閉，這艘航天器將進入46年的巡航期。

根據該專案的估計，這次任務需要50年時間才能到達巴納德星（距離地球不到6光年）。根據比鄰星（Proxima Centauri）的情況進行調整後，同樣的飛行器可以在36年內完成這一旅程。

這是藝術家對代達羅斯計劃航天器的構想，旁邊站著一枚土星V號火箭，按比例排列。

但除了該專案發現的技術障礙外，還涉及到極其高昂的成本。

即使按照無人駕駛概念的適度標準，一架充滿燃料的代達羅斯飛船的重量也將高達6萬噸，成本超過5.2萬億美元（基於2012年的估計）。調整到2020年，一艘完全組裝的代達羅斯飛船的價格將接近6萬億美元。伊卡洛斯星際（Icarus Interstella）是一個由志願公民科學家組成的國際組織（成立於2009年），自那以後，該組織一直試圖透過伊卡洛斯專案來重振這一概念。

另一個大膽和勇敢的想法是反物質推進，它依賴於物質和反物質（氫和反氫粒子）的湮滅。

這個反應釋放的能量以及大量亞原子粒子（介子和介子）相當於熱核爆炸。這些粒子將以三分之一的光速運動，它們被磁性噴嘴引導以產生推力。

不幸的是，生產一克反物質燃料的成本估計在1萬億美元左右。

根據美國宇航局先進推進技術集團（NASA Eagleworks）的羅伯特·弗里斯比的一份報告，一個兩級反物質火箭需要超過81.5萬噸的燃料才能在大約40年內到達半人馬座比鄰星。

安布里-裡德爾航空大學的Darrel Smith和Jonathan Webby博士發表的一份更為樂觀的報告稱，一艘重達400噸和170噸的兩級反物質燃料的航天器可以達到光速的0.5倍。按照這個速度，飛船可以在8年多一點的時間內到達比鄰星，但是沒有成本效益高的方法來做到這一點，也沒有任何保證。

藝術家對Bussard 衝壓發動機概念的印象。

在所有情況下，推進劑都佔這些概念總體質量的很大一部分。為了解決這一問題，已經提出了可以產生自己的推進劑的變體。

在聚變火箭的例子中，有Bussard 衝壓發動機，它使用一個巨大的電磁漏斗從星際介質和磁場中提取氫氣，並將其壓縮到發生核聚變的程度。

類似的，還有真空到反物質火箭星際探索者系統（VARIES），它也能從星際介質中產生自己的燃料。伊卡洛斯星際飛船的理查德·奧博西提出，一艘不同型別的飛船將依靠大型鐳射器（由巨大的太陽能電池陣列提供動力），當發射到太空時，這種鐳射器會產生反物質粒子。

可惜！這兩種想法都不可能用目前的技術實現，也不可能達到成本效益（絕不可能）。

在這種情況下，除了幾項可以降低相關成本的重大技術發展，公平地說，任何星際載人任務的想法都是不切實際的。在我們有生之年，向其他恆星發射探測器仍然是有可能的，尤其是那些依賴定向能量推進（DEP）的。

星空計劃是由突破基金會發起的一項倡議，旨在成為人類的第一次星際旅行。

正如“突破星空”（Breakthrough Starshot）或“蜻蜓計劃”（Project Dragon Fly）等計劃所顯示的那樣，這些風帆可以加速到相對論速度，並擁有收集任何軌道系外行星上的照片和基本資料所需的所有硬體。

然而，這樣的探測器是一種潛在的可靠和經濟的星際探索手段，而不是殖民。而且，星際通訊所涉及的時滯，仍然會限制這些探測器在向地球報告的同時還能走得更遠。

因此，外星文明不太可能將探測器送到其領土之外很遠的地方。

對此的批評

對滲流理論的一種可能的批評是，滲流理論考慮了許多情況和解釋，這些情況和解釋可能會導致此時發生接觸。

如果我們假設一個智慧物種同樣需要45億年（地球形成到現代人類之間的時間）才會出現，並且考慮到我們的銀河系已經存在135億年了，那麼還有90億年的時間窗。

在90億年的時間裡，多種文明可能出現過又消失過，雖然沒有一個物種可以殖民整個銀河系，但很難想象這種活動會被忽視。

可觀測宇宙的對數圖。

在這種情況下，人們可能會被迫得出結論，除了限制文明的發展之外，可能還有其他限制因素在起作用。然而，重要的是要提醒我們自己，對費米悖論提出的任何解決方案都有它的漏洞。

此外，期望一個理論或理論家能夠解答像外星人存在這樣複雜（但缺乏資料）的問題，就像期望外星人自身行為一致一樣不現實！

總的來說，這個假設非常有用，因為它打破了“事實A”固有的許多假設。

它也為回答這個基本問題提供了一個完全合乎邏輯的起點。為什麼沒有外星人的訊息？因為現在下結論說它們應該已經佔領了銀河系的大部分是不現實的，特別是當物理定律（我們所知道的）阻止這樣的事情發生的時候。