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银河系里有没有外星人?

方是民 方舟子

  地球之外是否有生命?是否有智能生命?是否有文明?早在两千多年前,古希腊的哲学家就已经在认真思考这些问题了。其中有一位如此写道:“在一片旷野中只有一株麦子,和在无限的宇宙中只有一个生命世界,都是不自然的。”当哥白尼发现了地球不是宇宙的中心后,这些问题又再次被提了出来。既然地球只是一颗普通行星,那么其他行星上面是否也有生命世界?布鲁诺即认为,宇宙是无限的,到处都有生命世界。这种观念被异端裁判所列为布鲁诺的八大罪状之一,使他被处火刑。但之后有天文学家继续思考这个问题,比如惠更斯就写过论文说明外星人应该是什么样子。


  在进化论确立以后,这个问题的答案是显然的。既然人类不是神创的,而是进化出来的,那么我们有什么理由否认,在浩瀚宇宙的其他地方,也有可能进化出智能生命呢?其他星球存在智能生命,并不只是一种科学幻想,早已是科学界的主流观点,并且还启动了寻找地外文明的科研项目:1960年,科学家们开始监听从茫茫太空中传来的无线电,试图发现其中包含有智能信息。如果其他地方存在高度发达的文明,而他们又像我们一样好奇,热衷于寻找别的文明,最为便宜、方便的方式是发射含有信息的无线电波。这项寻找地外文明的工作持续至今,由加州大学伯克利分校的寻找地外文明研究中心主导,目前又扩展到寻找地外激光信号。以后还计划向离我们最近的恒星比邻星发射微型探测器。寻找地外文明的结果比大海捞针更加渺茫。如果我们能在有生之年发现任何存在地外文明的确切证据,是极为运气的。但是,如果我们不去找,那么运气也许永远不会降临。


  也一直有人嘲笑寻找地外文明的尝试。有人试图给出理由否认地外文明的存在,提出“稀少地球”假说。按照这个假说,太阳刚好位于银河系适宜带,地球又刚好位于太阳系适宜带,而且刚好又有月球作为卫星,使得地球有一些适合生命出现的特征,在地球进化史上复杂生命、人类的出现又是多么偶然,以此说明人类的出现是小概率事件,我们很可能是银河系中唯一的一群孤独的智者。但是这个推理是经不起推敲的。即使智能生命的出现是小概率事件,也推导不出在银河系中只能发生一次。何况这些理由都是根据我们对地球生命史的了解提出的,而地外智能生命完全有可能和人类大相径庭。


  物理学家费米曾经从另一个角度质疑地外文明的存在。1950年,费米在一次会议上问道:理论上人类能够在一百万年以后飞行到银河系的各个星球,如果我们能,那么那些比我们早进化一百万年的外星人也应该能。那么为什么他们还没到地球来?他们究竟在哪里?费米的意思是,我们在银河系中很可能是孤独的。其实对这个所谓“费米悖论”很容易反驳:可能没有哪个文明能够在银河系各处殖民,可能我们离其他的文明都过于遥远,可能还没有哪个文明进化到能够在星际旅行的程度,可能已有外星人在很久以前访问过地球又走了,当然也有可能外星人正不为我们所知地观察着我们。


  1961年,美国天文学家弗兰克·德雷克试图定量地说明外星人存在的概率,提出了一个计算公式。这个“德雷克方程”本来只是开玩笑,没想到现在却被正儿八经地写入了天文学教科书,号称是仅次于爱因斯坦质能方程的第二著名方程。这个方程很简单,人人可以掌握:


  N = R * f(p) * n(e) * f(l) * f(i) * f(c) * L


  其中N表示银河系中“通讯文明”(即能发射、监听星际通讯)的数目。右边各项为计算这一数目的参数,*为乘号。


  第一个参数 R 为每年在银河系中形成的恒星的数目。德雷克最初的估计是银河系平均每年新产生一颗恒星。现在看来这个估计过于保守。按照美国太空总署的最新计算,银河系每年新产生的恒星的质量为0.68~1.45个太阳质量,而新恒星的平均质量大约是0.5个太阳质量,这样算下来银河系每年大约有1.5~3个恒星产生。让我们取个中间数,设定R=2。


  第二个参数f(p)表示 R 之中具有行星系统的比例。在形成恒星的过程中,星云不停地旋转、坍塌,速度越来越快,最后有两种可能的结局:或者形成两颗恒星即双星,或者只在中央形成一颗恒星,而周围形成了行星系统。一直到上个世纪末,我们都不知道除了太阳系,宇宙之中是否还有别的行星系统。而现在我们已发现了大约4000颗外行星,它们大部分是开普勒太空望远镜在不到10年的时间内通过扫描太空一小块区域发现的。看来行星系统在银河系中普遍存在。德雷克最初估计所有恒星中有五分之一到一半有行星。目前看来这个估计也过于保守。根据最新的观测结果,银河系几乎所有的恒星都有行星系统,即f(p)=1。


  第三个参数n(e)是一个行星系统中,处于“适宜带”的行星数目。行星要适于生命生存,不能太靠近恒星(太热),也不能太远离恒星(太冷),在两个极端之间有一个适宜带,只有在那里才能有水存在。显然在做此假设时,我们把水当做了生命的必要条件。并不能排除存在不依赖水的生命的可能性,但根据我们的化学知识,水是最适宜生命的。在太阳系中,处于适宜带的行星有三个:地球、金星和火星。德雷克据此估计每个行星系统有1~5个行星处于适宜带。但是并不是每个行星系统都有行星处于适宜带。根据开普勒太空望远镜的探测结果估计,银河系大约有400亿个外行星与地球大小相当、围绕着类似太阳的恒星而且处于适宜带。银河系中大约有1000亿个恒星,而每个恒星几乎都有行星,这样的话n(e)=0.4。但是这个估计是偏保守的,因为它没有考虑到还有三种情况:在不像太阳的恒星的行星系统、不像地球的外行星上、围绕大行星的卫星(例如木星的卫星欧罗巴、土星的卫星提坦)上,都有可能适宜生命生存。考虑到这些特殊情况后,我们姑且假设n(e)=1。


  第四个参数f(l)表示处于适宜带的行星中实际产生了生命的比例。并不是任何处于适宜带的行星都能产生生命的,还跟行星的地质、地理条件有关系。在太阳系中,有三颗大行星处于适宜带,我们确切地知道地球有生命,金星无生命,火星可能有或曾经有过简单的生命。处于适宜带的卫星欧罗巴、提坦是否有生命我们并不清楚。德雷克认为所有处于适宜带的行星都会产生生命,可能过于乐观。让我们保守一点,设定f(l)=0.5。


  第五个参数f(i)表示在有生命的行星中,进化出智能生命的比例。这是一个分歧最大的问题。有的认为在地球上经过了三十几亿年的进化,在生存过的几十亿个物种中才有几种有智能,可见智能生命的产生极为罕见。也有的认为我们现在只知道一个生命世界,而它是有智能生命的,就我们所知,产生智能生命的可能性就可算是百分之百。对这个问题,我们不妨这么看:既然智能是一种很好的适应环境的方式,那么在自然选择的作用下,经过无数的试错,只要有足够的进化时间,从无数进化途径中出现一条通向智能,应该是必然的。当然,这并不是说存在一条通向智能生命的直线进化方向,而是说智能进化途径只是同时存在的许多进化途径中的一条,而且这一条也不是注定会产生人类(在其他条件下完全可能产生其他的智能生物)。有了这些说明,我们不妨把这个参数乐观地设为:f(i)=1。


  第六个参数f(c)表示在智能生命中,能够发明星际通讯技术的比例。这个问题同样难以回答。在地球上,我们知道人类发明了这种技术。让我们再乐观一回,假定所有的文明迟早都会发现无线电通讯技术,将这个参数设为f(c)=1。


  最后一个参数 L 是一个通讯文明平均能够生存的年数。我们先不管它,把以上的设定结果代入方程计算一下:


  N = 2 * 1 * 1 * 0.5 * 1 * 1 * L = L


  这是个有趣的结果:银河系中通讯文明的数目大约等于一个通讯文明平均能够生存的年数 L 。但是没有人能够知道这个 L 究竟会有多大,连估算都无法做到。如果我们按费米显然过于乐观的估计,每个通讯文明的平均寿命为一百多万年,那就意味着银河系中存在一百多万个通讯文明。听上去似乎数目巨大,但是,与银河系存在的大约一千亿颗恒星相比(像银河系这样的星系在宇宙中还有几十亿个),这个数目就微不足道了。它表明通讯文明是非常稀少、分散的,难以有相互接触的机会。


  没有任何理由认为一个通讯文明能够永世长存。宇宙中有许多外界因素能毁灭生命世界。比如,宇宙中最有威力的现象伽玛射线大爆发,就能使方圆几百光年内的生命灭绝,而我们每年能够观察到几百次这样的爆发。文明的高度发展也许有可能预测、防御这样的灾难,但是另一方面,却也能导致自我毁灭。我们人类也只是近七十年来才进入了通讯文明阶段,但是同时也拥有了完全毁灭自己的能力:且不说我们对自然生态的破坏、对环境的污染、人为导致全球气候变暖,光是现存的核武器储备,就足以毁灭整个地球几百次。如果我们要在宇宙中发现邻居,如果我们要让邻居们发现,关键是自己要生存下去,并尽可能地延长寿命。


  2019.4.11


(作者:方舟子,《科学世界》2019.5.)


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