擴張者：宇宙裡的文明前沿會相遇嗎
如果文明會不斷擴張，宇宙會被佔滿嗎？這一頁講困難步驟、擴張前沿的速度和視界等真實科學。
如果有些文明會一直擴張，我們為什麼至今沒看到？漢森等人 2021 年的一個模型給出了一個不尋常的答案：我們之所以出現得這麼“早”，是因為擴張型文明很快會佔滿宇宙，留給後來者的時間不多了。遊戲裡的“擴張者”通道，就是把這個模型變成一幅圖景：一道以光速 80% 推進的前沿，正迎著銀河系而來。
這一頁先講這個模型的真實內容，再講前沿看起來為什麼會“比光還快”、預警時間怎麼算、宇宙膨脹怎樣把文明隔開，最後概述遊戲設想。需要強調：這個模型是一種假說，沒有任何擴張型文明被觀測到。
為什麼我們出現得“太早”
- 來得太早：宇宙才 138 億歲，小質量的紅矮星卻能穩定地亮上萬億年。如果生命可以在任何時代出現，我們出現得早得出奇。漢森等人的解釋是：擴張型文明會在不太久的將來佔滿宇宙。
- 困難步驟：地球生命史上有幾步極不容易：生命起源、真核細胞、有性生殖、多細胞動物、智慧……每一步都可能要等很久的運氣。模型裡取大約六步。
- 安靜的文明：同一個模型還推出，不擴張的“安靜文明”非常稀少。要讓銀河系裡哪怕還有一個，安靜文明變成擴張文明的機率就得低於萬分之一。
模型對宇宙的描繪
- 佔了一半的宇宙：擴張型文明此刻也許已經佔據了宇宙體積的 40% 到 50%，每一個最終會控制約 10 萬到 3000 萬個星系；我們會在約 2 億到 20 億年後遇到它們。
- 兩隻肥皂泡：模型假設擴張者碰到別的擴張者就停下。兩隻泡擠在一起，中間留下一道幾乎不動的邊界。
- 天上的弧：如果擴張型文明的邊界在天上並不顯眼，我們也許能在天空裡找到許多很長的圓弧。
- 收割星光：控制一個星系的文明，可用的功率約是 10³⁷ 瓦，這就是卡爾達肖夫 III 型。把星光收集起來、再以廢熱放出，星系在可見光裡會變暗，在紅外裡會變亮。
前沿有多快，預警有多短
擴張得越慢，就越容易在到來之前被看見。至今沒有看見任何擴張型文明，說明它們的前沿推進得很快，是光速的相當一部分。
迎面以接近光速推進的東西，看起來會比光還快：它幾乎追著自己發出的光一起到來。哈勃望遠鏡在 M87 星系的噴流裡，就測到過看起來約 6 倍光速的運動。因此預警時間極短：前沿的光只比它本身早到“距離乘以（光速與速度之比減一）”年。速度是光速的 80% 時，你只能在它走完最後四分之一的路程時才看見它。
宇宙膨脹把文明隔開
宇宙在加速膨脹。離我們約 165 億光年以外的地方，今天發出的訊號永遠到不了這裡。擴張者散得越開，彼此就越像住在不同的宇宙裡。至於你自己的前沿：以光速的 99% 飛行，船上過 1 年，外面過約 7 年，所以飛船越快，就能在前沿到來之前佔下越多的星系。
遊戲裡的設想
下面是遊戲設定。通道的發現條件是超越之樹點亮“視界測繪”，或主文明完成“銀河殖民”。設想裡，視界測繪的資料中有一段很長的圓弧，不屬於任何已知的結構；弧的那一邊，星系在可見光裡變暗，在紅外裡變亮，有人在把恆星的光收集起來。它們的前沿正以光速的 80% 推進，方向朝著銀河系，距離約 18 億光年。
機制用的是宇宙時鐘：主文明每完成一個星際文明的主幹事件，宇宙就老去一截，前沿也近一截；主文明成為“卡爾達肖夫 III 型”時，它抵達銀河系。因為它推進得接近光速，主文明只能在它到達前很短的時間裡看見它。通道的三個結局是保護區、交融、邊界，都是虛構。
相關的小說
- 《希爾德的階梯》（格雷格·伊根，2002 年）：真空衰變的理論是真實的物理（科爾曼 1977、科爾曼和德盧西亞 1980）；真實的真空泡會以接近光速擴張。小說講的是一次物理實驗意外造出了一種新真空，它以光速的一半向外擴張，吞掉途經的一切。
相關的真實研究
下面這些研究和宇宙膨脹、文明分級、費米問題有關，是相關的真實科學，並不是“擴張者存在”的依據。
- 用遙遠的超新星當“標準燭光”，發現宇宙膨脹在加速，暗能量從此登場，該工作獲 2011 年諾貝爾獎（Riess 等，《The Astronomical Journal》1998）。
- 另一支團隊獨立得出同樣結論：宇宙中有一種推動加速膨脹的能量（Perlmutter 等，《The Astrophysical Journal》1999）。
- 足夠先進的文明可能包裹自己的恆星，我們可以通過異常的紅外輻射找到它們（Dyson，《Science》1960）。
- 按能使用的能量，把文明分為行星級、恆星級和星系級三種類型（Kardashev，《Soviet Astronomy》1964）。
- 如果外星文明普遍存在，它們早該遍佈銀河系，由此認為我們可能是第一個（Hart，《Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society》1975）。
真實依據
天上的弧：漢森等人 2021 年預測：如果擴張型文明的邊界在天上並不顯眼，我們也許能在天空裡找到許多很長的圓弧。
來得太早：宇宙才 138 億歲，小質量的紅矮星卻能穩定地亮上萬億年。如果生命可以在任何時代出現，我們出現得早得出奇。漢森等人的解釋是：擴張型文明會在不太久的將來佔滿宇宙，留給後來者的時間不多了。
困難步驟：地球生命史上有幾步極不容易：生命起源、真核細胞、有性生殖、多細胞動物、智慧……每一步都可能要等很久的運氣。漢森等人的模型裡取大約六步。
前沿的速度：擴張得越慢，就越容易在到來之前被看見。至今沒有看見任何擴張型文明，說明它們的前沿推進得很快，是光速的相當一部分。
超光速的錯覺：迎面以接近光速推進的東西，看起來會比光還快：它幾乎追著自己發出的光一起到來。哈勃望遠鏡在 M87 星系的噴流裡，就測到過看起來約 6 倍光速的運動。
佔了一半的宇宙：漢森等人的模型給出：擴張型文明此刻也許已經佔據了宇宙體積的 40% 到 50%，每一個最終會控制約 10 萬到 3000 萬個星系；我們會在約 2 億到 20 億年後遇到它們。
預警時間：前沿離你 D 光年、以速度 v 推進時，它的光只比它本身早到 D×(1/v−1) 年。v 是光速的 80% 時，你只能在它走完最後四分之一的路程時才看見它。
安靜的文明：同一個模型還推出：不擴張的「安靜文明」非常稀少。要讓銀河系裡哪怕還有一個，安靜文明變成擴張文明的機率就得低於萬分之一。
收割星光：控制一個星系的文明，可用的功率約是 10³⁷ 瓦，這就是卡爾達肖夫 III 型。把星光收集起來、再以廢熱放出，星系在可見光裡會變暗，在紅外裡會變亮。
兩隻肥皂泡：漢森等人的模型假設：擴張者碰到別的擴張者就停下。兩隻泡擠在一起，中間留下一道幾乎不動的邊界。
回不來的信：宇宙在加速膨脹。離我們約 165 億光年以外的地方，今天發出的訊號永遠到不了這裡。擴張者散得越開，彼此就越像住在不同的宇宙裡。
你的前沿：以光速的 99% 飛行，船上過 1 年，外面過約 7 年。主文明的飛船越快，就能在前沿到來之前佔下越多的星系。
《希爾德的階梯》（格雷格·伊根，2002 年）的科學背景：真空衰變的理論是真實的物理（科爾曼 1977、科爾曼和德盧西亞 1980）；真實的真空泡會以接近光速擴張。
相關研究
這些研究和本頁主題相關，但不是本頁內容的直接證明。
加速膨脹：用遙遠的超新星當“標準燭光”，發現宇宙膨脹在加速。暗能量從此登場，獲 2011 年諾貝爾獎。
出處：Riess et al., The Astronomical Journal 1998, "Observational evidence from supernovae for an accelerating universe and a cosmological constant"
42 顆超新星：另一支團隊獨立得出同樣結論：宇宙中有一種推動加速膨脹的能量。
出處：Perlmutter et al., The Astrophysical Journal 1999, "Measurements of Omega and Lambda from 42 high-redshift supernovae"
戴森球：足夠先進的文明可能包裹自己的恆星，我們可以通過異常的紅外輻射找到它們。
出處：Dyson, Science 1960, "Search for artificial stellar sources of infrared radiation"
文明的等級：按能使用的能量，把文明分為行星級、恆星級和星系級三種類型。
出處：Kardashev, Soviet Astronomy 1964, "Transmission of information by extraterrestrial civilizations"
他們在哪裡：如果外星文明普遍存在，它們早該遍佈銀河系。哈特由此認為，我們可能是第一個。
出處：Hart, Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society 1975, "An explanation for the absence of extraterrestrials on Earth"
遊戲設定（虛構）
- 節點「天上的弧」：視界測繪的資料裡，有一段弧不屬於任何已知結構。
- 節點「前沿的速度」：測出來是光速的 80%。
- 節點「超光速的錯覺」：光速的 80% 迎面而來，看起來就是 4 倍光速。
- 節點「收割星光」：它們經過的星系，正是這樣。
- 節點「兩隻肥皂泡」：它們和另一個擴張者之間，已經有了這樣一道邊界。
- 節點「你的前沿」：主文明也開始擴張了。
- 節點「見面之前」：前沿還有幾億年到達。
- 節點「相遇」：兩道前沿在銀河系邊緣相遇。
- 通道結局「保護區」：前沿在銀河系外停了下來，繞了過去。在擴張者的星圖上，銀河系被標成了一塊保護區：一個不擴張的文明，值得被留下來看。這也是「動物園假說」的一個版本。
- 通道結局「交融」：兩道前沿合在一起，繼續向視界推進。主文明的歷史成了一個更大的文明的一章。
- 通道結局「邊界」：前沿在銀河系邊緣停住了，像兩隻肥皂泡之間的那道膜。邊界兩側的星光，從此再也沒有人去碰。
- 小說《希爾德的階梯》概述：一次物理實驗意外造出了一種新真空，它以光速的一半向外擴張，吞掉途經的一切。兩萬年後，人們還在想辦法面對它。