Fermi-Paradoxon

Das Fermi-Paradoxon ist ein Widerspruch, den der Physiker Enrico Fermi 1950 aufzeigte. Das Paradoxon hinterfragt die Wahrscheinlichkeit intelligenten außerirdischen Lebens. Es versucht, eine grundlegende Frage zu beantworten:

Genau genommen handelt es sich hierbei nur um ein scheinbares Paradoxon, da ihm Annahmen zugrunde liegen, deren Richtigkeit zweifelhaft ist.

Aufgrund des Alters des Universums und seiner hohen Anzahl an Sternen sollte Leben auch außerhalb der Erde verbreitet sein, vorausgesetzt, die Entstehung von Leben auf der Erde wäre kein ungewöhnlicher Vorgang (Rare-Earth-Hypothese).^[1] Enrico Fermi diskutierte 1950 auf dem Weg zum Mittagessen im Los Alamos National Laboratory mit Edward Teller, Emil Konopinski und Herbert York angebliche UFO-Sichtungen und einen Cartoon aus der Zeitschrift The New Yorker über Außerirdische und fragte schließlich: „Where is everybody?“ Warum seien weder Raumschiffe anderer Weltraumbewohner noch andere Spuren extraterrestrischer Technologien zu beobachten?^[2][3] Eine detaillierte wissenschaftliche Betrachtung des Problems begann in den frühen 1970er Jahren mit Studien von Michael H. Hart,^[4] weswegen auch der Ausdruck Fermi-Hart-Paradoxon verwendet wird.^[5][6]

Grundlegende Überlegung

Kern des Fermi-Paradoxons ist folgende Überlegung:

Ausgehend von der Annahme, dass die Erde keine absolute Ausnahme unter den Planeten und unser Sonnensystem nicht einzigartig ist (in dem Sinne, dass es intelligente Lebewesen enthält), steht die (bisher nicht bezifferbare) Möglichkeit im Raum, dass weitere technische Zivilisationen in unserer Galaxis existieren. Unsere Galaxis ist ungefähr 100.000 Lichtjahre breit. Ein Unterlichtantrieb, wie der des Projekt Icarus, mit einer Geschwindigkeit Faktor 0,01 bis 0,1 der Lichtgeschwindigkeit, würde (geradeaus und ohne Zwischenstopps) etwa 1 bis 10 Millionen Jahre für diese Strecke benötigen. Die Galaxie ist etwa 10 Milliarden Jahre alt. Eine Durchquerung wäre in der Dauer ihrer Existenz mehrfach möglich gewesen.

Wenn in der Milchstraße auch nur eine einzige Zivilisation existiert, die zu interstellarer Kolonisation fähig ist, dann könnte die gesamte Galaxis innerhalb weniger Millionen Jahre vollständig kolonisiert sein. Die Milchstraße ist nun weitaus älter als die notwendigen 20 bis 40 Millionen Jahre; folglich sollten außerirdische Zivilisationen überall in unserer galaktischen Nachbarschaft existieren. Bisher konnte jedoch kein Hinweis auf extraterrestrische Zivilisationen gefunden werden.

Das Paradoxon kann folgendermaßen zusammengefasst werden:

Kurzgefasst: Wenn es sie gibt, warum sind sie nicht hier?

Mit dem Fermi-Paradoxon eng verbunden ist die Drake-Gleichung, mit deren Hilfe die Wahrscheinlichkeit für die gleichzeitige Existenz anderer Zivilisationen in der Milchstraße abgeschätzt werden soll. Da bisher jedoch die meisten Parameter der Drake-Gleichung unbekannt sind, kann diese derzeit kaum etwas zur Lösung des Paradoxons beitragen.^[7]

Zur Erklärung des Paradoxons gibt es mehrere Ansätze; dabei kann zwischen prinzipiellen Argumenten, die auf Grund der Naturgesetze für sämtliche Zivilisationen gleichermaßen gelten, und schwachen Argumenten unterschieden werden.

Schwache Argumente

Das Problem der schwachen Argumente besteht darin, dass Fermi davon ausgeht, dass nur eine einzige Zivilisation notwendig ist, um das beschriebene Paradoxon zu verursachen. Diese Zivilisation muss allerdings ihre grundlegenden Eigenschaften über geologische Zeiträume beibehalten.^[8] Schwache Argumente stellen jedoch keine prinzipiellen Hindernisse dar. Wir müssten also davon ausgehen, dass sich sämtliche Zivilisationen ähnlich entwickeln und daher an denselben Hindernissen scheitern.

Folgende Passage wurde aus der Arbeit The Fermi Paradox: An Approach Based on Percolation Theory von Geoffrey A. Landis dazu sinngemäß übersetzt:

Prinzipielle Argumente

Die Hypothese der ungewöhnlichen Erde / Wir sind tatsächlich allein

Ein Gedankengang ist der, dass vielzelliges Leben im Universum außergewöhnlich selten sei, weil erdähnliche Planeten potentiell selten seien. Es seien viele unwahrscheinliche Zufälle zusammengekommen, die Leben auf der Erde möglich gemacht hätten. Solche Zufälle sind die Position der Sonne in der Milchstraße (Strahlung), die Position der Erde im Sonnensystem (Temperatur), die Existenz eines relativ großen Mondes (Stabilisierung der Erdachse) usw. (vgl. Hoimar von Ditfurth: Kinder des Weltalls).

Letztlich werden bei diesem Erklärungsversuch die Parameter der Drake-Gleichung so gewählt, dass in unserer Galaxis nur eine einzige Zivilisation existiert – die unsere. Insofern verliert das Fermi-Paradoxon seinen paradoxen Charakter, weil bereits eine der Grundannahmen abgelehnt wird.

Obwohl diese Hypothese vielfach als zwingend überzeugend angesehen wird, widersprechen andere der Seltenheit erdähnlicher Planeten (was durch die zunehmende Zahl entdeckter Exoplaneten naheliegt) oder behaupten, komplexes Leben benötige nicht zwingend erdähnliche Bedingungen, um sich zu entwickeln (siehe Kohlenstoffchauvinismus).

Eine Sonderform dieses Argumentes geht davon aus, dass die Entwicklung höherer Intelligenz im Laufe der Evolution extrem unwahrscheinlich ist. So ist auch bei keiner der komplexen Lebensformen, die in der Vergangenheit auf der Erde existierten, die Entstehung beziehungsweise das Vorhandensein höherer Intelligenz bekannt.

Unmöglichkeit interstellarer Kolonisation / Kommunikation

Die Voraussetzung des Fermi-Paradoxons, nämlich eine Zivilisation, die zu interstellarer Kolonisation fähig ist, kann möglicherweise prinzipiell nicht erfüllt werden. Unter diesen Umständen könnte es in der Milchstraße mehrere technische Zivilisationen geben, die jedoch räumlich zu weit voneinander entfernt sind, um sich gegenseitig zu beeinflussen.

Zur Veranschaulichung sei als Beispiel die Entfernung unserer Sonne zum nächsten Stern, Proxima Centauri, genannt, der selbst bei annähernd Lichtgeschwindigkeit erst nach einigen Jahren erreicht werden könnte. Da ein Überschreiten der Lichtgeschwindigkeit nach derzeitigem Kenntnisstand nicht möglich ist, stellen sich einige Fragen:

• Könnte eine Zivilisation (noch) die Ressourcen aufbringen, fremde Sternsysteme zu erreichen, sobald eine Situation eintritt, die solch eine Unternehmung lohnend oder gar notwendig erscheinen lässt?
• Welchen zeitlichen Versatz in der Kommunikation müssen Populationen in verschiedenen Sternsystemen akzeptieren können, um überhaupt den für eine Zivilisation nötigen Zusammenhalt zu haben?

Verteilungsmuster / zivilisatorische Diffusion

Nach einem Ansatz von Geoffrey A. Landis^[10] kann die Kolonisation der Galaxis mittels der Perkolationstheorie als ein der Diffusion ähnlicher Vorgang untersucht werden. Landis geht dabei von zwei Prämissen aus:

1. Jede Zivilisation ist maximal in der Lage, direkte Nachbarsysteme in einem beschränkten Umkreis zu kolonisieren.
2. Jede Kolonie kann sich mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit $ P $ zu einer ebenfalls kolonisierenden oder aber mit der Wahrscheinlichkeit $ 1-P $ zu einer stagnierenden (bzw. nicht kolonisierenden) Zivilisation entwickeln.

Unter diesen Umständen würde die Galaxis nicht gleichmäßig bevölkert, vielmehr würden sich „Blasen“ herausbilden, die von stagnierenden Kolonien umgrenzt sind. Innerhalb dieser Blasen würde dann keine weitere Kolonisierung erfolgen. Umgekehrt könnte es dann auch Blasen mit einer hohen „Zivilisationsdichte“ geben. Das Verhältnis zwischen diesen Blasen wird dabei maßgeblich von der Wahrscheinlichkeit für erfolgreiche Kolonisierung sowie der Entwicklung zum kolonisierenden bzw. stagnierenden Zivilisationstyp beeinflusst.

• Liegt P nun unterhalb eines Grenzwertes $ P<P_{c} $, wird die Kolonisierung nach einer endlichen Anzahl Kolonien stoppen.
• Liegt P oberhalb des Grenzwertes $ P>P_{c} $, wird nahezu die gesamte Galaxis gefüllt, mit Ausnahme einiger kleiner Blasen.
• Liegt P nahe am Grenzwert $ P=P_{c} $, wird die Galaxis von einer fraktalen Struktur durchzogen, in der sowohl große bevölkerte als auch nicht bevölkerte Gebiete existieren. Wir würden dann in einem nicht bevölkerten Gebiet leben.

Selbstauslöschung

Nuklearexplosion der 1000-fachen Hiroshimastärke (Operation Castle)

Demnach liege es in der Natur technischer Zivilisationen, sich zu zerstören. Nach Stephen Hawking sei die Entstehung von Leben wahrscheinlich und die Entwicklung von Intelligenz möglich, würde ab einem gewissen Punkt aber instabil werden, so dass es zu einer (unabsichtlichen) Selbstauslöschung käme. Mögliche Auslöser könnten (aktuell) z. B. sein: Atomarer Krieg, genmanipulierte Viren und unkontrollierbarer Treibhauseffekt.^[11] Der Technikphilosoph Nick Bostrom sieht daneben die Gefahr durch Nanobots oder einer sich explosionsartig entwickelnden Superintelligenz die jeweils nicht mehr vom Mensch kontrollierbar seien, sowie prinzipiell noch unbekannter Unwägbarkeiten.^[12]

Astrophysikalische Erklärung

Gammastrahlenausbrüche (GRBs) gelten als die energiereichsten Phänomene im Universum. Sie können die über die gesamte Lebensdauer eines Sternes freiwerdende Energiemenge in Sekunden in Form fokussierter Jets abstrahlen. Auch über Lichtjahre entfernt können diese auf den in ihren Strahlenkegeln befindlichen Planeten Massensterben und die Vernichtung höherer Lebensformen auslösen. Dieser Effekt könnte bei entsprechender Häufigkeit für eine weitgehende Sterilisierung der kosmischen Lebensbedingungen verantwortlich sein. Die Wahrscheinlichkeit für einen die Lebensbedingungen der Erde zerstörenden GRB lag für die vergangenen 500 Millionen Jahre bei 50 %. Nach einer auf den Swift-Daten basierenden Abschätzung (Tsvi Piran et al.) soll in Galaxien, die sich in den ersten fünf Milliarden Jahren des Universums bildeten (z > 0,5), aufgrund intensiver GRB-Aktivität eine Entwicklung zu komplexeren Lebensformen generell unmöglich gewesen sein. Von den heute existierenden Galaxien soll nur in einer von zehn Leben – wie wir es kennen – ausreichend lange Zeit gehabt haben, sich ungestört entwickeln zu können – insbesondere jedoch in größeren Galaxien als unserer Milchstraße.^[14][15]

Mathematisches A-priori-Argument

Nach einer Überlegung des Astrophysikers J. Richard Gott spricht die Wahrscheinlichkeit gegen die These, dass Galaxien in der Regel weitgehend kolonisiert werden, da dann fast alle Lebewesen Mitglied solcher Superzivilisationen wären. Gäbe es solche Zivilisationen, dann wäre es aus statistischen Gründen eher unwahrscheinlich, ausgerechnet als Mitglied einer vergleichsweise kleinen, jungen und noch nicht kolonisierten Zivilisation wie der unsrigen geboren worden zu sein.^[16] Diese rein mathematische Überlegung ist äquivalent dem sogenannten Doomsday-Argument und erlaubt keine Aussage über die Existenz außerirdischen Lebens, sondern besagt lediglich, dass, wenn es solches Leben geben sollte, es höchstwahrscheinlich nicht kolonisiert. Damit löst sich Fermis Paradoxon auf, da J. Gott dessen Grundannahme negiert.

Andere Argumente

Mangelndes Interesse

Selbst wenn die technische Möglichkeit zu interstellarer Kommunikation oder Kolonisation besteht, stellt sich die Frage, ob eine Zivilisation überhaupt ein ökonomisches oder philosophisches Interesse an der Nutzung dieser Technik hat. Unsere Zivilisation hat bisher keine großen Anstrengungen unternommen, bewusst Signale auszusenden, und die menschliche Raumfahrt beschränkt sich weitgehend auf das Aussenden von Sonden. Selbst prinzipiell mögliche interplanetare Raumflüge werden hinsichtlich ihres ökonomischen und wissenschaftlichen Sinns hinterfragt.

Mangelnde Sichtbarkeit

Das Aussenden von Radiosignalen zur Kommunikation ist relativ ineffizient. Falls alle Zivilisationen innerhalb kurzer Zeit zu effizienteren Kommunikationsmethoden übergehen, sinkt der Anteil an Radiostrahlung, über den sich eine Zivilisation bemerkbar machen würde.

Auch wurde vorgeschlagen, ein Ergebnis der Informationstheorie könne das Fehlen erkennbarer Signale erklären. Die Informationstheorie besagt, dass eine maximal komprimierte Nachricht für jene ununterscheidbar vom Hintergrundrauschen ist, die den Kompressionsalgorithmus nicht kennen. SETI hingegen sucht ausschließlich nach dem simpelsten aller Signale, einer unmodulierten Sinuskurve. Die Grundannahme von SETI ist die Bereitschaft anderer Lebensformen, sich durch ein einfach zu entdeckendes Signal deutlich mitzuteilen. Aus diesen Gründen würden die heutigen Suchmethoden eine hochgradig komprimierte Übertragung schlicht übersehen.

Die Sommerschlaf-Hypothese greift Überlegungen von Freeman Dyson auf und bezieht sich auf eine weit fortgeschrittene Zivilisation, für die Informationsverarbeitung wesentlich ist.^[17] Dafür wird Energie benötigt, die aber endlich ist. Da sich das Universum inflationär ausdehnt, wird es kälter, und das De-Sitter-Modell kann gelten. Unter Berücksichtigung des Landauer-Prinzips ist offenkundig, dass die Informationsverarbeitung nach der Abkühlung um einen astronomisch hohen Faktor effizienter ist. Eine fortgeschrittene Zivilisation wird sich daher zu einer Zeit mit noch warmer Umgebung in Schlaf versetzen, um zu einem viel späteren Zeitpunkt von der dann kalten Umgebung zu profitieren.

Sie existieren – wir haben sie nur verpasst

Diese Hypothese basiert darauf, dass alle besuchenden Zivilisationen langfristig stagnieren oder aussterben, statt zu expandieren. Das kann nicht ausgeschlossen werden, denn die gesamte Dauer der menschlichen Existenz ist auf kosmologischer Skala derartig klein, dass selbst ein Weiterleben unserer Spezies über Hunderttausende von Jahren wenig ändert. Dadurch könnten Zivilisationen zeitlich und räumlich schlicht zu weit auseinanderliegen, um einander zu begegnen. Dieser Hypothese widerspricht die Möglichkeit der Von-Neumann-Sonden, die eine weit längere Lebensdauer als ihre Ursprungszivilisation haben könnten. Eine Zivilisation, die Von-Neumann-Sonden aussendet, könnte diese auch in ihrer Reproduktion beschränken, so dass sich jedem Sternsystem maximal eine Sonde zuordnen würde. Diese Sonde würde sich nur reproduzieren, wenn ihre eigene Lebensdauer abläuft. Sie könnten als Bojen auch stationär sein und z. B. nur ein schwaches Signal aussenden.

Sie existieren – wir werden ignoriert

Bei dieser Annahme wird vorausgesetzt, dass unter allen Zivilisationen in unserer Nachbarschaft ein Konsens darüber herrscht, eine Kontaktaufnahme zu vermeiden. Diese Spekulation wird teilweise auch als „Zoo-Hypothese“ bezeichnet.^[18]

Die Verpflichtung zur Nichteinmischung und die Folgen deren Missachtung ist Thema des 1964 erschienenen Romans Es ist nicht leicht, ein Gott zu sein von Arkadi und Boris Strugazki.

Der Science-Fiction-Autor Gene Roddenberry formulierte dies in Star Trek als „Oberste Direktive“, ein striktes Nichteinmischungsgebot, zumindest solange eine Zivilisation nicht eine definierte Schwelle überschritten hat, z. B. die technologische Fähigkeit zu interstellaren Reisen.

Überlegungen uns selbst zu tarnen,^[19] sprechen für die Möglichkeit anderer, technisch höher entwickelter Gesellschaften, dies viel besser zu können.

Sie existieren – wir ignorieren sie

Dabei wird angenommen, dass außerirdische Zivilisationen bereits Kontaktversuche unternommen haben, diese von der Wissenschaft jedoch ignoriert wurden, oder nicht wahrgenommen werden konnten, oder von einer oder mehreren Regierungen geheim gehalten werden. Sie ist in etlichen Science-Fiction-Romanen und -Filmen verarbeitet worden, so unter anderem in Per Anhalter durch die Galaxis und wird ebenso bei Deutungen von UFO-Sichtungen, Verschwörungstheorien und von Anhängern verschiedener Pseudowissenschaften vertreten (siehe z. B. Prä-Astronautik). Vielfach wird davon ausgegangen, dass unsere heutige Technologie nicht in der Lage ist, extraterrestrische Kommunikationsversuche aufzunehmen, zu verarbeiten, oder zu entschlüsseln, bzw. dass ein Signal nicht als Kommunikationsversuch erkannt wird.

Folgerung

Die bisherige Datenbasis lässt es nicht zu, zu einer Abschätzung auf Basis der Drake-Gleichung hinsichtlich der Häufigkeit außerirdischer Zivilisationen zu kommen.^[20] Erst in den nächsten Jahren oder Jahrzehnten werden möglicherweise erdähnliche Planeten in anderen Sonnensystemen gefunden, bis dahin müssen sämtliche Lösungsansätze spekulativ bleiben.

„Hart-Tipler-Argument“

Da der Begriff Fermi-Paradoxon irreführend ist, schlägt der anerkannte Experte Robert H. Gray^[21] als Bezeichnung „Hart-Tipler-Argument“ vor – zu Ehren von Michael H. Hart, der die zugespitzte, allgemein als Fermi-Paradoxon anerkannte Aussage „They are not here; therefore they do not exist.“ formuliert hat und Frank J. Tipler, der das Problem um selbstreplizierende Maschinen erweitert hat.^[22]

Siehe auch

• Rare-Earth-Hypothese
• Kardaschow-Skala
• Technologische Singularität
• Fermi-Problem

Literatur

• Stephen Webb: If the Universe Is Teeming with Aliens … WHERE IS EVERYBODY?: Seventy-Five Solutions to the Fermi Paradox and the Problem of Extraterrestrial Life. 2. Aufl. Springer, Cham 2015, ISBN 978-3-319-13235-8.
• Marshall T. Savage: The millennial project – colonizing the galaxy in eight easy steps. Little Brown, Boston 1994, ISBN 0-316-77165-1.
• Ian Crawford: Where Are They? Maybe we are alone in the galaxy after all. In: Ufo Evidence. 20. Juli 2000, abgerufen am 9. November 2017.
• Eric M. Jones: Where is everybody? An Account of Fermi’s Question. In: Los Alamos Technical Report. März 1985, fas.org (PDF; 1,1 MB) Federation of American Scientists; abgerufen am 2. März 2011.

Weblinks

• F.E. Freiheit IV: The Possibilities of FTL: Or Fermi’s Paradox Reconsidered.
• Answering the Fermi Paradox: Exploring the Mechanisms of Universal Transcension von John Smart
• Robin Hanson: The Great Filter – Are We Almost Past It?
• Robert Freitas:
  • Extraterrestrial Intelligence in the Solar System: Resolving the Fermi Paradox. Legt nahe, unsere Beobachtungen seien unvollständig.
  • There Is No Fermi Paradox. Wähnt einen logischen Fehler im Fermi-Paradoxon.
• Warum uns die Außerirdischen noch nicht gefunden haben – Aliens würden Ewigkeiten brauchen, um die Galaxis nach intelligentem Leben zu durchforsten. wissenschaft.de (eine mögliche Erklärung für das Fermi-Paradoxon)

Video

• Was ist der galaktische Zoo? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri (ca. 15 Minuten). Erstmals ausgestrahlt am 23. Juli 2003.
• Fermi’s Paradox Revisited by Dr. Jeff Kuhn. University of Hawaii, Institute for Astronomy, Februar 2013, youtube

Einzelnachweise