考慮到我們的太陽系與宇宙的其他部份相比相當年輕——大約只有45億年歷史，而外星人則有138億年歷史——而且只要有足夠的時間，星際旅行可能相當容易實作，因此地球應該已經被外星人存取過了。
這個悖論因諾貝爾物理學獎獲得者恩裏科·費米而得名，據說他在1950年的一次午餐閑聊中提出了上述觀點。其含義此後幾十年一直讓天體生物學家和其他科學家苦苦思索。
加利福尼亞州山景城搜尋地外文明研究所 (SETI) 的代表在費米悖論解釋中寫道：「費米意識到，任何文明只要擁有適度的火箭技術，加上適度的帝國激勵，就能迅速殖民整個銀河系。在幾千萬年內，每個恒星系統都可能被納入帝國的羽翼之下。幾千萬年聽起來像是一個漫長的過程，但實際上，與銀河系的年齡相比，這相當短暫，銀河系的年齡大約是其一千倍。」
費米於1954年去世，因此對這一想法的探索和闡釋就落到了其他人身上，例如邁克爾·哈特，他於1975年在【皇家天文學會 (RAS) 季刊】上發表了一篇題為「地球上沒有外星人的解釋」的文章（有人說這是第一篇探討費米悖論的論文，盡管這種說法有點難以證明）。
費米悖論——外星球的圖形說明，其中有巨大的巖石結構和海洋，天空中還有明亮的橙色太陽。藝術家描繪的TRAPPIST-1系統中一顆行星的表面，該系統擁有七顆與地球大小相近的行星
哈特在論文摘要中寫道：「我們觀察到，目前地球上沒有來自外太空的智慧生物。這一事實可以用我們銀河系中沒有其他先進文明的假設來解釋。」
然而，他指出，需要對生物化學、行星形成和大氣層進行更多的研究，以更好地縮小答案範圍。
哈特認為，沒有發現來自外太空的智慧生物很可能是由於外星智慧生物的缺乏。但他也列出了另外四種可能的解釋：
1.外星人從未來到地球是因為「導致太空旅行無法進行」的物理困難，這可能與天文學、生物學或工程學有關。
2.外星人只是選擇永遠不來拜訪我們。
3.地球以外的先進文明興起的時間太短，外星人無法到達我們這裏。
4.外星人過去曾經存取過地球，但我們沒有觀察到他們。
杜蘭大學物理學教授法蘭·蒂普勒於1980年在【RAS 季刊】上發表了一篇題為「外星智慧生物不存在」的論文，進一步闡述了哈特的觀點。這篇論文的主要內容是討論如何獲取星際旅行所需的資源，他認為星際旅行可以透過某種具有自我復制能力的人工智能從一個星系移動到另一個星系，在旅行過程中復制自己來實作。
由於地球上從未發現過如此先進機器的證據，蒂普勒認為我們很可能是地球上唯一的智慧生物。他在1980年的論文中還寫道，那些相信外星智慧生物的人與UFO（不明飛行物）愛好者相似，因為雙方都相信「某種奇跡般的星際幹預將拯救我們自己。」
如今，外星智慧生物的話題非常熱門，每年都有來自不同研究小組的多篇論文發表。正在進行的系外行星革命也推動了地球以外可能存在先進文明的想法。
宇宙非常廣闊，而且古老。各種望遠鏡收集的數據顯示，可觀測宇宙的寬度約為920億光年（並且一直在不斷增長）。單獨的測量表明，它大約有138.2億年的歷史。
因此，外星文明有足夠的時間來出現和傳播——但他們也可能必須跨越巨大的宇宙鴻溝才能到達我們這裏。
當費米發表他那句著名言論時，科學家們唯一知道的行星就在我們自己的太陽系中。但在1992年，天文學家發現了圍繞著一顆密度極高的恒星殘骸（被稱為脈沖星）運轉的行星。幾年後，第一顆圍繞類太陽恒星運轉的系外行星被證實。
目前已確認的系外行星超過5000顆，而且每年都有更多行星被發現。外星世界的數量之多表明整個宇宙中可能存在大量生命。
隨著時間的推移，借助更先進的望遠鏡，科學家將能夠探測一些附近系外行星大氣的化學成分。然而，「附近」是一個相對術語；已知最近的系外行星Proxima b距離我們約4.2光年，大約40萬億公裏。
最終目標是了解巖石行星在其母星「宜居帶」中形成的頻率，傳統上，宜居帶被定義為行星表面可以存在水的軌域距離範圍。然而，宜居性不僅僅與水有關。還必須考慮其他因素，例如主星的活動和行星的大氣成分（還有其他原因導致人們越來越認為傳統定義的宜居帶過於簡單。例如，我們太陽系中的冰衛星，如木星的木衛二和土星的土衛二，位於宜居帶之外，其地下海洋中可能仍有生命）。
盡管存在這些警告，但似乎確實有大量宜居空間。例如，2013年11月的一項研究使用美國太空總署開普勒太空望遠鏡的數據表明，五分之一的類太陽恒星在宜居帶內擁有一顆與地球大小相近的行星。幾個月後，開普勒科學家公布了715顆新發現的行星，其中許多行星都是使用一種名為「多重驗證」的新技術確認的，該技術部份基於概率邏輯（從恒星表面穿過或對其產生重力的物體更有可能是行星而不是伴星，因為近距離的伴星可能會隨著時間的推移破壞整個系統的穩定性）。
然而，類太陽恒星只是銀河系中的少數，大約四分之三的銀河系恒星都是小型、昏暗的紅矮星。天文學家已經發現多個巖石星球圍繞紅矮星的宜居區旋轉，例如Proxima b，以及TRAPPIST-1系統中的三顆行星，該系統距離地球約39光年，總共擁有七顆巖石星球。但目前尚不清楚這些行星的宜居程度，因為紅矮星極易發生揮發，尤其是在年輕時。因此，恒星噴發可能會迅速炸毀年輕「宜居區」紅矮星行星的新生大氣層，使生命很難在那裏立足。科學家表示，需要進行更多研究才能更好地了解這些恒星以及生命在它們周圍生存的能力。
研究人員正在獲得更多工具來開展此類工作。例如，NASA的淩日系外行星勘測衛星(TESS) 於2018年4月成功發射，並很快從同年年底退役的開普勒手中接過了接力棒。該機構備受期待、耗資100億美元的占士韋伯太空望遠鏡計劃於2021年12月發射，它將執行許多其他任務，其中包括在附近系外行星的空氣中尋找潛在的生物特征氣體。歐洲航天局的PLATO（行星淩日和恒星振蕩）任務預計將於2026年發射。三座強大的地面天文台——極大望遠鏡、巨型麥哲倫望遠鏡和三十米望遠鏡——也計劃在本世紀晚些時候投入使用。還有一個雄心勃勃的專案，名為「突破攝星」，旨在利用大量微型激光航行納米探測器近距離研究Proxima b和其他附近的行星。如果技術發展順利，第一艘這樣的星際機器人飛船可能會在2050年左右發射。
此類任務和儀器將幫助科學家充實他們對天體生物學的理解，而天體生物學目前仍處於相對初級的階段。例如，我們甚至不知道在我們自己的後院是否有適合生命生存的星球。地球上的研究表明，微生物可以在極端環境中生存，這表明微生物生命很可能存在於火星、木衛二、土衛二和/或土星的巨型衛星土衛六上。但我們對這些星球的探索還遠遠不夠深入，無法確定。
這是藝術家繪制的美國太空總署 (NASA) 的開普勒太空望遠鏡搜尋系外行星的圖畫
然而，費米悖論的眼界比微生物要大得多。要解決它，我們不僅需要知道外星球上生命前進演化的普遍程度，還需要知道它們獲得與其他智慧生命形式交流或在星際間航行的能力和意願的頻率。
德雷克方程式估計了可探測到的外星智慧文明的數量。用SETI研究所的話來說，這個方程式——寫為「N = R* x fp x ne x fl x fi x fc x L」——有以下變量： 「
N：銀河系中可探測到電磁輻射的文明數量。
R*：適合智慧生命發展的恒星的形成率（每年數量）。
fp：具有行星系統的恒星的比例。
ne：每個太陽系中具有適合生命生存環境的行星的數量。
fl：適合生命生存的行星的比例。
fi：有生命存在的行星中，出現智慧生命的部份。
fc：開發出可產生可檢測存在跡象的技術的文明比例。
L：此類文明產生此類跡象的平均時間長度（年）。」
目前還無法確定這些數值，因此很難做出預測。因此，費米悖論是猜測的沃土，多年來，科學家和普通人提出了數百種可能的解釋。
這些想法涉及的範圍非常廣泛。例如，2015年，科學家分析了哈伯太空望遠鏡和開普勒太空望遠鏡的數據，得出結論，地球可能是一個相對而言比較早出的星球。研究人員確定，在大約45億年前地球形成時，宇宙中所有可能存在宜居星球中只有8%存在。所以這是對悖論的一個可能解釋：外星人會來，但還要過一段時間。
又或許生命太過脆弱，無法長久存活。2016年的一項研究表明，巖石行星早期的歷史非常有利於生命的存在，生命通常可能在行星冷卻並出現液態水後的5億年左右開始出現。我們地球的歷史似乎支持了這一結論；有（有爭議的）證據表明，生命大約在41億年前就已出現，而生命肯定是在38億年前形成的。但由於失控的溫室效應（就像很久以前在金星上發生的那樣）或其他氣候變遷，這些美好時光可能不會持續太久。
「在早期的熱脈沖、冰凍、揮發性物質含量變化和失控的正反饋之間，維持宜居帶內最初潮濕的巖石行星上的生命可能就像試圖騎一頭野牛。大多數生命都會消亡，」研究人員阿迪亞·喬普拉和查理·萊恩韋花在發表於【天體生物學】雜誌的研究中寫道。「生命在宇宙中可能很稀少，不是因為開始很難，而是因為宜居環境在最初的十億年內很難維持。」
或者瓶頸可能來得更晚。許多思想家認為，文明在掌握技術後不久可能會走向滅亡。地球再次為這一假設提供了一些支持：1962年古巴導彈危機期間，人類險些陷入核戰爭，而我們可能正在透過人為氣候變遷淪陷我們自己以及地球上的許多其他生命。
還有許多其他因素需要考慮。例如，行星科學家艾倫·史端（NASA新視野號冥王星任務負責人）最近提出，銀河系中最常見的生命生存環境可能是地下海洋，例如土衛二和木衛二的海洋。在這樣的地方前進演化的生物似乎不太可能發展出宇宙飛船；事實上，它們中的許多甚至可能不知道還有其他世界可供探索。
外星人的心理也可能起到一定作用。例如，也許外星文明有很多，但大多數都不想與我們交流或存取地球。也許地球及其居民對他們來說還不夠有趣——除非人類表現出足夠的智慧和優點，才能被納入「銀河俱樂部」。
或者也許大多數聰明的外星人通常都保持沈默，擔心與宇宙鄰居接觸會導致他們自己被奴役或淪陷。包括已故的史帝芬·霍金在內的許多研究人員都援引了這種可能性，認為人類不應該積極宣傳自己的存在。
然後，尋找外星智慧文明也存在後勤困難。宇宙浩瀚無垠，古老得令人難以置信。人類出現才20萬年，而我們自1960年起就開始監聽來自外星的可能無線電訊號。因此，我們在時間和空間上與可探測到的外星文明重疊的可能性似乎並不大。
大多數研究人員表示，費米悖論可能沒有單一的解決方案。多種因素（可能包括上面討論的一些因素）可能是造成我們目前面臨的「巨大沈默」的原因。這些因素的性質可能很快就會開始變得更加清晰。
例如，假設科學家在火星、木衛二或我們太陽系的其他星球上發現了過去或現在微生物生命的證據，並且這些生物代表著「第二次起源」——與地球上的生命完全不同。這樣的發現將有力地表明生命在整個宇宙中誕生並不困難，讓研究人員可以從冗長的列表中劃掉一個可能的費米悖論解釋。
與專家探討費米悖論
我們向倫斯勒理工學院的海蒂·喬·紐伯格教授詢問了有關費米悖論的幾個問題。
倫斯勒理工學院物理學、套用物理學和天文學教授海蒂·喬·紐伯格
海蒂·喬·紐伯格是一位天體物理學家，目前正在研究銀河系的結構。她在天體物理學領域進行了多項研究，包括恒星、超新星以及我們的星系和其他星系。她最近獲得了NASA的資助，致力於研究一種替代傳統望遠鏡的方法來探測可能支持生命的系外行星。
現代研究人員是否傾向於接受費米悖論的前提——即，如果我們的星球之外存在智慧生命，那麽他們很可能已經聯系或到達地球了？
我不能代表所有人說話，但我不相信這個前提。因為地球是我們所知的唯一存在生命的星球，所以我們只能根據這裏生命的前進演化方式進行猜測。
地球形成於大約46億年前。地球上的生命至少始於35億年前，因為人們已經發現了這個時代的化石，但更簡單的細胞預計形成的時間比這更早。地球上的生命可能在條件允許液態水普遍存在後很快開始。另一方面，擁有多個細胞的生命直到大約10億年前才出現，而人類在2億年前才前進演化。據我們所知，人類是地球上唯一思考宇宙中正在發生的事情的生命形式，並且可能與其他生命進行交流。第一台望遠鏡是在大約400年前發明的，第一艘太空探測器是在不到100年前發射的。
從中得到的啟示是，簡單生命（如單細胞生物）可能很容易創造，但復雜生命則更難，試圖與宇宙其他地方的生命進行交流的生命可能極其罕見。雖然尋找外星生命和與外星生命進行交流的技術一旦開始，在宇宙的時間軸上似乎發展得非常快，但我們不知道現代人類作為一個物種能存活多久。
是否存在一種普遍接受的方法來解決費米悖論？
我懷疑除了指出我們對高度前進演化的智慧生命知之甚少這一事實之外，是否存在一種普遍接受的解決費米悖論的方法。我們不知道它有多稀有，一個文明能持續多久，它有多大可能願意或不願意與我們交流，它有多大可能在銀河系中傳播，或者我們如何相互辨識和理解。在沒有任何真實資訊來弄清楚這一切的情況下，似乎有很多可能性可以解決這個問題。
在評估費米悖論時，重要的是要考慮銀河系的廣闊空間。光到達最近的恒星需要四年多的時間。如果一艘火箭飛船以每小時3.2萬英裏的速度行駛，那麽到達那裏需要超過33000年。光從太陽到我們銀河系中心的旅行時間為30000年。火箭的旅行時間為1.7億年。目前還完全不清楚生命是否願意或能夠穿越這樣的距離來繁衍生息。如果嘗試的話，目前還不清楚是否有合適的地方讓生命著陸和繁衍生息。在整個銀河系中傳播生命可能比費米想象的要困難得多。
研究系外行星（特別是可能適宜居住的行星）的研究人員通常會考慮費米悖論嗎？
現代研究人員在尋找潛在宜居行星時，通常會使用西格爾方程式來計算發現生命的可能性。這是德雷克方程式的更新版本，後者是1961年人們所尋找生命的總結。請註意，其中一個關鍵區別是，西格爾方程式詢問我們能找到多少顆行星，這些行星上的生命改變了大氣層（例如透過光合作用），而德雷克方程式計算的是發出可探測無線電波的文明數量。在20世紀，SETI計劃尋找這些文明，但沒有發現這些文明的訊號。
因此，你可以看到，討論的重點已經轉向尋找不一定是智慧生命的生命——地球歷史告訴我們，這種生命更有可能被發現。我偶爾會教系外行星和生命課，我使用的教科書沒有提到費米悖論。我預計大多數研究人員目前不會考慮這個問題。目前的研究物件是系外行星、有液態水的宜居系外行星，以及不一定是智慧生命的跡象。
當前的研究有哪些方法可能最終解決費米悖論？
隨著我們對系外行星的了解越來越多，我們越來越有可能對生命存在的可能性及其傳播的可能性做出統計陳述。這一悖論的基礎在於，銀河系中有數千億顆恒星，而恒星數量如此之多，其中一顆恒星上一定存在其他智慧生命。但我們真的沒有辦法評估這是否屬實。
六噸沙子中含有數千億顆沙粒。因此，認為其中至少有一粒沙粒是由鈾構成的似乎是合理的。但我們不會在海灘上尋找鈾，因為如果那裏有鈾，它會溶解在水中並被沖走。僅僅擁有大量物體並不意味著這些物體的所有可能性都一定存在。
目前的實驗正在告訴我們有多少顆系外行星，這些行星上的條件如何，系外行星的表面溫度是否適合液態水存在，以及可能有多少顆系外行星的大氣豐度有利於生命存在。我們正在努力尋找其他星球上的任何生命。這些資訊將為我們提供一些基礎，以便推斷其他地方形成技術文明的可能性，並告訴我們他們可能需要走多遠才能找到最近的宜居星球，在那裏他們可以建立殖民地。
