先说我的观点:
你们地球碳基猴子,即使不是最早的文明,也是最早的文明之一。
具体一点说,即使有某一个比我们早几年的文明,他们的文明的信息(光速传播的电磁波和光波)也还没来得及到达地球。
理一理地球的时间线。。
星际气体凝聚(几亿或几十亿)形成超大质量超新星或黑洞,然后超新星遗迹或者黑洞吸积盘喷流形成二代恒星,可能又经过了一次超新星,才形成我们的太阳系——太阳和地球的历史差不多。
显然宜居行星的形成很难比地球更早很多(早个十亿年算逆天了),因为能产生重元素并将他们抛的远远的的超新星或吸积盘是十分强大的(否则我们待在中子星旁边还进化个毛线啊),这些喷流必须有足够的时间冷却。
地球形成了——全TM是岩浆,表面冷又花了几亿年(勉强冷却一点点,还是地狱状态),细菌诞生了。到目前为止,地球仍然在宇宙生命星球的第一梯队。。
细菌产生光合作用,产生氧,花了几十亿年————这个时间省不了,终于,多细胞动物诞生了。寒武纪的地球仍然是宇宙复杂生命星球的第一梯队。
生物登陆,恐龙时代,大量的植物积累了几亿年才有了我们的化石燃料——这几亿年要是跳过去,恐龙直接产生文明,那这文明永远只能停留在大清。。
恐龙灭绝,哺乳动物崛起,疯狂进化出了你们这些碳基猴子。
我们和我们脚下的星球真的没有浪费半点时间。
地球是如此的完美
1、水不多不少,刚好覆盖一大半的表面(而通常的行星要么没水要么表面全是水)
2、太阳的质量刚好,太小的太阳要提供足够的光热,地球就必须更近,然后其引力就会把地球的自传锁死,太大的太阳寿命太短。。
3、磁场很强,地球的磁场太TM的强了,和太阳的恒星磁场差不多,简直逆天,没有这磁场大气层早被太阳风吹跑了
3、不是经常被撞,天天来小行星你还进化毛线啊。。
4、离太阳距离刚刚好。
这么完美的星球,对于行星来说,就如同,你拿一瓶墨汁洒在白纸上,用手机一扫描墨滴,啪——旁边的共享单车开锁了
有人提出我要求的环境是针对地球智慧生物的,那么是否存在其他形式的智慧生物(比如硅基硫基),我写了一遍文章,从暗物质、夸克到周期表上的各种元素都进行了考虑,请大家指教。
硅基生物:对“费米佯谬”的纯理智分析大家好像不喜欢点链接,干脆整个复制过来:
S级:
超越人类逻辑的生命,最有代表性的就是“无所不能的上帝”,显然,一个无所不能的存在是违背逻辑的,通过简单的逻辑假设就能证明“无所不能”不存在:祂能创造一块自己举不起来的石头吗?祂能创造出比自己能力更大的的生命吗?
显然S级要么不存在,要么超越了我们的逻辑以至于我们无法理解——假如是后者,那么无所不能的祂能让愚蠢如我们理解祂吗?
由于S级是如此的超乎想象,我们的任何讨论也就失去了意义。
A级:
符合逻辑,也就是符合数学的,但是超越物理层面的生命。由于探索技术的有限,人类的物理知识被锁死在一定的范围内:我们无法知道大爆炸“暴胀”阶段以前的宇宙是什么样的:是否存在比强相互作用力更强的相互作用力?密度比普朗克密度更大的环境下引力场是怎样的?已知的维度(无论是3个维度还是11个维度)以外是否存在更高的,但是不会干涉已知维度的维度?超光速的快子是否存在(我个人比较倾向暗能量就是快子)?
我们能想象到的A级生命的猜想包括:暴胀场生命、快子生命、不同物理参数的宇宙的生命。无论哪一种生命,其生存环境都是不与我们的世界发生互相干预的(因为如果发生了互相干预,必然会有干预的痕迹)。比如暴胀场生命,其生活的暴胀场环境在大爆炸后10−32秒衰变成近乎均匀的夸克、玻色子、轻子。在这以前发生的“故事”无法被我们探测到,也不对我们产生任何影响(即使存在影响,我们也无法知道这是生物遗留的影响)。再比如快子生命,构成其“躯体”快子具有几乎无穷大的速度。在相对论效应的作用下,一枚快子会在瞬间运动遍布整个宇宙,但是不会对我们生活的物质世界中的物质产生任何影响。
最极端的,假如我们的世界是一个缸中之脑想象的世界,那么,缸的外面可能还应该有一个符合逻辑的世界。当然,缸外面的世界也可能是超越逻辑的,也就是S级:或许我们证明“无所不能”的逻辑方法本来就是缸外面的世界设计的一条代码而已。
B级:
和我们统一宇宙的生命,其生命体由已知的物质(已知物质包括暗物质但不包括暗能量)构成,并且在三维空间存在形体。
显然,“费米佯谬”中提到的外星文明至少应该属于这一级别或者更低的级别(S,A级的即使降临地球人类也不可能发现)。
我们对物质的了解已经足够高了,完全可以尝试遍历所有的B级生命形式:
1:B级生命躯体的大小。物质的运动速度和以任何方式传递信息的速度是不能超过光速的,显然,越大的生命躯体成长的速度也就越慢,假如星系是宇宙海洋中类似细菌的生物,那么一亿年才是它的一个生命周期(地球一般细菌约20~30min便分裂一次,即为一代),想象一下地球细菌用了几十亿年才进化成人类,等这些大家伙进化出智慧至少要亿亿年——宇宙早可能早就被暗能量变成一无所有的真空了。
2:B级生命躯体的构成。人类的躯体由原子构成,原子间由本质为电磁力的原子间作用力结合。电子和原子核构成原子,人体的一切生命活动都在电子和原子核级别发生(地球人的线粒体不具备核反应获得能量的能力)。
以下内容比较枯燥,不愿意看的请跳过斜体字直接看结论,如果对我的结论有怀疑,再慢慢的审核斜体字部分,我本身理论物理知识有限,也欢迎大家指出错误
在宇宙暴胀结束以后,相互作用力只有4种:是万有引力、电磁相互作用力、强相互作用力和弱相互作用力(暴胀结束以前可能存在其他的相互作用力,但是那属于A级的生命了)。所以构成B级生命的最小单位必须由其中的一种或几种力互相结合,结合强度足以保证最小单位不会随机的脱离。
如果这种力是万有引力,万有引力只有在星际等级才有足够的强度,那么构成“万有引力”生物的“原子”就是星球。由于大小的限制,星际级大小的生命不可能创造出文明。
如果这种力是强相互作用力,强相互作用力的距离大约在 10-15 m 范围内,那么构成该什么的最小单位必须被强相互作用力束缚在10-15 m 范围内才能保证生命的结构不会解体——强相互作用力不足以要把粒子约束在10-15 m的三维势井中。同理,弱相互作用力也不行。
这样一来,就只剩下电磁相互作用力一个选择。
传递电磁相互作用力必须有正负两种电荷,且其中一方必然是电子或正电子(否则就会发生衰变或湮灭)且不能两方同时是电子和正电子(否则还是就会湮灭)。也就是说,构成生命的最小单位至少是包含电子或正电子的。带电荷的基本粒子粒子只有电子、正电子和夸克。μ子夸克由于夸克禁闭至少要两个结合在一起。双夸克的带电粒子带电荷的粒子:电子、μ子、τ子 、六中夸克(及其反粒子)。其中电子、μ子、τ子不参与强相互作用力所以不可能聚集成团。夸克正好相反,想单独存在都不行,至少2人一组。μ子、τ子和两人一组的夸克都不稳定,半衰期最长的μ子才2.2微秒。所以构成B级生命的只能是电子、两个及以上夸克结合成的粒子以及两个及以上夸克结合成的粒子结合成的粒子(及其反粒子)——是不是有点绕口。
别担心,“两个以上夸克结合成的粒子”中,三个夸克组成的粒子叫重子,其中半衰期小于一秒的只有质子和反质子。所以构成B级生命的级别结构只有“电子-质子”和“正电子-反质子”两种结构。两种结构在不涉及弱相互作用力的情况下完全对称,根据观察宇宙中“电子-质子”占据主导,显然如果出现生命“电子-质子”结构是唯一的可能。电子和正电子不参与强相互作用力无法聚集成小于10-12 m的结构,只有质子可以在强相互作用力的作用下和中子聚集。最轻的重子是质子中子,越重的重子越不稳定,超过重子2的中子寿命相对于生物已经不可接受了(其寿命最长也是10^(-10)秒数量级)。更多的夸克结合体的还没发现,即使发现了,至少其质量一定大于质子。 “两个以上夸克结合成的粒子结合成的粒子”已知的只有一种,就是原子核。
如果存在质量介于电子和质子之间的稳定粒子,则其熵值必然极低。大爆炸过程中必然大量产生这种粒子, 1GeV能量以上的粒子对撞实验也必然很容易可以产生出这种粒子。事实上大爆炸产生的稳定粒子只有电子质子中微子和中子(通过与质子结合变得稳定)。由于可观测宇宙(半径91 × 109光年)是均匀的,这一结果是可以推广到整个视界内宇宙(半径91 × 109光年)的。
对于大于中子质量的基本粒子,尚不能确定其都是不稳定的(三个夸克组成的超子寿命都小于10^(-8)秒,而更多夸克组成的粒子目前的研究还很有限)。然而由于大爆炸并没有制造出大量的此类粒子,此类粒子即使存在也只能由夸克星等高能天体制造出来。而夸克星是不能存在生命的(前文所述,生命的躯体要保持三维结构就必须有相互作用力能够把构成基本粒子束缚在小于基本粒子间距的范围内,夸克星的密度高温度高,其基本粒子距离小而能量高,任何基本力都无法完成这一束缚)
这样一来,构成B级生命的只能是“电荷量是质子整数倍且质量电荷比大于等于质子的一坨夸克”和(正)电子。
综上,B级生命唯一可能的构成就是“质子或含质子的粒子团-电子”。
这里说明一下,量子色动力学和量子味动力学作为描述基本相互作用力的物理理论,虽然细节上还有很多争议(比如超出标准模型的粒子),但是在理论物理界是大家都接受的。
即使这两者力学理论存在问题,
由于我不是专门学基本粒子的,对B级生命的讨论可能有所错误和疏漏,然而在可观测宇宙,大部分的物质是以质子、中子、电子(包括三者的某些形式的聚合)和暗物质形态存在的,由于弱力不能构成生物,所以非原子形态的生物即使理论上可行,也是缺乏物质基础的,唯一可能例外的情况就是夸克星(中子星是否会演变成夸克星尚有争议),欢迎懂基本粒子和色动力学的朋友对B级生物进行补充。
C级:
和我们同一个元素周期表构成的生命。
对B级生命的讨论得出结论,生命只能是“质子、中子、电子(包括三者的某些形式的聚合)”,——也就是原子或者叫化学元素。
周期表里的元素和同位素就那么多,不在同位素列表中的同位素即使存在也大多是半衰期极短的同位素。超铀元素稳定岛即使存在较稳定的元素,其半衰期也不可能超过万年(或许是秒级别的),显然,生命不能指望稳定岛上的元素,而除了稳定岛,宇宙再不可能制造出周期表外的稳定元素了。
让我们把目光聚焦到周期表上的百余个元素。
生物需要结构、能量、溶剂
结构
前面说过,所以构成生命的最小单位必须由其中的一种或几种力互相结合,结合强度足以保证最小单位不会随机的脱离。对于周期表元素构成的生物,结合力就是原子间作用力和分子间作用力(本质上都是电磁力),而最小单位则是原子,而等离子体由于不能固定构成其本身的物质,是不能构成生命的。
也就是说,构成生物的原子必须结合的足够“强”以至于这些原子不会被热运动变成随机位置。
最理想的“结构原子”就是碳,碳碳键钉住的原子是宇宙中位置最稳定的原子,金刚石的硬度是已知最大的。(锇的硬度可能超过金刚石,然而锇在宇宙的任何地方都是稀有的),其他候选的原子包括:碳、氮、过度金属、铍、硼、铝、硅、硫、磷等等。
但是有几点是明确的:氢不能成为结合原子(只有一个配位键),氧硫不能单独成为结合原子。
能量
生物除了结构原子还需要能量,地球生物圈主要的能量循环是以碳水化合物最为承载的。
在光合作用过程,光能电离水产生游离氢,还有部分能量传递给ATP,然后ATP的能量辅助下游离氢与二氧化碳结合成碳水化合物,有氧呼吸则几乎是反过程:碳水化合物释放少量能够产生氢原子,氢原子氧化产生大量能量。
熟悉燃料电池的朋友会发现其实线粒体就是最好的燃料电池。
溶剂
燃料电池除了燃料还必须有电解质,事实上由于生物不能是等离子体或高温体(结构原子的结合强度决定),化学反应不可能在高温气相下进行。熟悉冶金和化工的知道,化学反应无非是火法或者湿法,火法不行则只能选湿法。所以生物离不开液体溶剂。
做电池电解质设计的知道,液体溶剂要支持高能反应,本身必须是足够稳定的,如果本身电离电压只有。0.5V,那么就无法承受超过0.5V的电化学过程。同理,生物体选择的溶剂决定了生物获取和储存能量的上限。
宇宙中常见的中低温液体:水、液态氢、液态甲烷、液态氨、液态氮、液态氧、液态二氧化碳、液态硫、四氧化二氮、二氧化硫、浓硫酸以及其中某些的混合物(显然需要不发生化学反应才能混合)
液态氢做不了电解质×,液态氮、液态氧、液态硫、四氧化二氮同理×
液态甲烷、液态氨的电离电压很低,不足0.1V(具体依照温度而定),也就是说液态甲烷、液态氨为电解质的生物无法进行电化学电压超过0.1V的化过程。
类似的,以水为电解质的地球生物无法把硅、铁、钠、氯、氟这样的元素变成单质。
二氧化硫、浓硫酸的电离电压同样比水低很多(注意浓硫酸的电离是分解成亚硫酸或二氧化硫),而且在宇宙中比水更加稀少。
让我们回顾前文的结构元素,由于溶剂的限制,无论水电解质生物还是非水电解质生物,都无法把钛、硅、铁等强碳化物形成元素从氧化态变成游离态或碳化、氮化态,如果要存在“硅基、铁基、铝、铍、硼基生物”,就必须存在非氧化态的硅、铁等供其吸收(并没有),然而这些元素在宇宙中除了等离子体基本都是氧化态的。
好了,结构元素只剩碳、氮、硫、磷了,氮氮键、氮氧键、氮硫键都不稳定,氮还剩离不开碳作为生物结构,目测只剩磷硫了。
磷硫和碳一样,属于和谁都能结合,和自己也能结合的原子,然而磷硫无论和什么结合,形成的化学键都很“弱”(想象一下白磷的硬度和金刚石的硬度),由它们作为结构原子的生物(如果存在)将会脆弱的令人发指。
综上,碳基-水电解质生物实际上已经是B级生物的最优解,其次是碳基-氨电解质生物,再次是磷硫基——周期表就这么大,并无其他解。
关于超级硅基生物假说:很多人疑问,你说硅/金属基生物不可能存在,那你是什么?这就需要所谓超级硅基生物假说,超级硅基生物,允许高温气体作为生物构成,所以不再苛求电解质,为了避免高温气体打乱自身原子排列,超级硅基生物存在隔热结构,然而超级硅基生物是无法自然进化产生的(大型有序结构不能进化产生,这里的有序是量子态级别的有序),一般认为,全人类的工业体系构成一个“准超级硅基生物”(因为工业还需要人力和木头等碳基生物),理想的超级硅基生物是否存在尚不确定,我个人认为,即使存在超级硅基生物,也是要依赖碳基构件的。
D级
碳基-水电解质生物。
以地球生物为代表的,碳基-水电解质生物(下文简称碳水生物),可能具有的结构太多,我们不一一论述,然而我们仍然能够估计碳水生物对环境的要求。
通常认为,碳水生物必须形成膜结构,即疏水-亲水分子在水环境下排列成的具有流动性的膜,必须存在遗传物质(请大家开动脑洞构思非膜结构或者无遗传物质的细胞,我已经老了 o(︶︿︶)o)
水,必须是液态水,常压下0~100℃。即使加高压保持液态,如果温度超过100℃,高温会使氢键断裂,破坏膜结构破坏。而智慧生物,对高温的耐受是更差的,因为高温产生的破话即使概率很低,在复杂系统(脑)中也是严重的。事实上,地球人的37℃体温并不完全是适合环境的结果,在热带,保持39℃的体温才是最节省成本的(人体散热的结构比保温的结构发达的多),然而人体(脑部)的温度却最终进化在37℃。事实上即使是有机膜结构的燃料电池,在80℃以上也会迅速损坏。我们有理由相信碳水生物是很难很难适应80℃以上的环境的(某些简单细菌能在更高的温度下生存,然而他们都是极其简单的,比如海底火山口的化能细菌),越复杂的碳水生物,耐受炎热的能力越差。
生物要获取能量。化学能:地球上存在化能自氧菌(最初的生物也可能是此类),但是,稳定的、大量化学能供给是不可能存在的(高能则不稳定),所以单纯化学能基础不可能支撑起复杂的生物圈系统。原子能:引发原子能所需的能量超过了电解质(水)的电解电压(原子能通常需要MeV级别的能量,水才1.2V),完全没有可能。热能:热能必须存在温差才能吸收效率极限(η<1-T2/T1),然而如果生物是μm级别的(最初的生物就真么大,复杂生物的线粒体和叶绿体也如此),它所处环境的温差小到忽略不计,所以热能无法被简单生物利用,能量的利用是从简单生物开始的(线粒体和叶绿体可能曾是单独的生物),简单生物无法利用热能,复杂生物也无法进化出热能利用系统。电能:天然电能(闪电)太狂暴不予考虑。
只剩下光能和机械能(风潮汐等)了。
恕我想象力不足,无法现象出风力细菌,所以只对光能进行考虑。
光能的利用率,具体见该词条:https://www.zhihu.com/question/265494436
由于二氧化碳和氧是气体的,所以复杂生物必须有一个大气环境(即使是海洋溶解氧和二氧化碳至少也需要气压)
D级需要的星球
由于我们讨论的是费米佯谬,永远只是几个细菌的化能生物圈不予考虑,所以这颗行星温度0~100℃(至少某些区域常年处于5~60℃供智慧生物生存,较热的星球智慧生物生活在极低,但是由于极低少光且辐射强烈,其智慧生物的进化将比人类更加困难),光线充足,表面富含碳氢氧,听起来不稀奇?
作为临近的恒星,如果超过1.5太阳质量,寿命不足20亿年,不予考虑,质量小于0.5太阳质量,则光线暗淡。其亮度远远小于太阳,如果行星要获得足够的表面温度,就必须很近———然后自转就会被潮汐作用锁死,一天等于一年,环境太过恶劣。
行星本身要有足够的引力和磁场阻止大气的逃逸,通常认为这需要一个熔融的铁地核。最后如果外星人想发展工业,那么他们的星球至少需要有煤或者石油——这需要板块运动和大量的生物遗骸。
这些条件都满足了,130亿年已经过去了。。。。。。
(发文发的比较急,有不少错别字,希望不影响大家的阅读,也感谢大家指出^_^; |