发现外星人的机会

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  搜寻地外生命已成为天文学和生物学中的一个热门话题,但很少有人记得这个课题是怎样在40年前被提出的。1959年9月,物理学家考康尼和莫里松在英国《自然》周刊上发表了一篇“寻找星际通讯方式”的文章。考康尼和莫里松认为,射电望远镜已变得十分灵敏,足以接收到来自遥远恒星周围的文明发射的信息。他们认为,这样的信息可能以21厘米的波长发射,这是宇宙中最普遍的中性粒子元素氢的无线电辐射的特征波长。外星人可能将它们用于电磁波中的一种逻辑信号,像我们这样的搜寻者会想到在这一波段上进行搜索。
  1960年4月,射电天文学家弗兰克·德里克成为探测来自宇宙的智慧信号的第一人。利用西弗吉尼亚州格林班克的国家射电天文台的25米口径射电望远镜,德里克“监听”了附近两颗类似太阳的恒星:鲸鱼座τ和波江座ε。他的这个奥兹玛计划是不成功的。
  在奥兹玛行动之后,德里克组织了一次会议和一群科学家讨论了搜寻地外智能生命的前景和可能遇到的困难。在1961年11月,10名无线电专家、天文学家和生物学家在格林班克召开了两天会议。年轻的卡尔·萨根及伯克利大学化学家诺贝尔奖获得者卡尔文也出席了会议。正是在这次会议期间,德里克提出了他的著名方程:
  N=R×fp×ne×fl×fi×fc×L
  其中,N代表银河系中的文明数量,它是几个可以求出的未知数的乘积。R是每年在银河系中诞生的恒星数,fp是拥有行星的恒星比数,ne是行星系中“类地”行星的平均数,fl是类地行星中具有生命的行星比数,fi是具有智能生物的行星比数,fc是能够进行星际无线电通讯的智能生物的比数,L是通讯文明的平均寿命。
  通过将一个大的未知量分解成一系列更小更容易求解的未知量,德里克方程使搜寻外星文明变得更加现实和有希望。这一方程为地外生命问题提供了进行科学分析的基础。
  天文学家和生物学家曾试图解开这个方程。初看起来,得出准确的估计值似乎很简单,但在实际情况中,算出地外智能生物的数量并不容易。近年来,这一方程中的一些变量已被确定,但一些变量仍未确定。
  在银河系中,恒星生成的速度均为每年一颗,所以R=1;fp可能小于1,不是每颗恒星都有行星伴随。如果一颗恒星有一个行星系统,可以认为,其中至少有二到三颗行星和卫星可能适合生命的起源,所以,fp×ne<1,但接近1。
  乐观者认为,生命在类地行星上都会生成,即fl=1,而达尔文的自然选择过程最终都有利于智能的进化,即fi=1。另外,没有智慧文明会存在很久而不发现电和无线电并感到迫切需要通讯,即fc=1。在这种情况下,德里克方程可简化为N=L(智能社会的平均寿命),如果L是1万年,在银河系中就会有1万个左右的文明,或大约每2000万颗恒星中有一个星际文明。如果它们均匀地分布在银河系中,最近的文明可能离我们有大约1000光年远。因此,双向通讯将需要一段漫长的时间——相当于有记载的人类历史中很长的一段时间。
  然而,35年的搜寻地外智能生命的努力却一无所获,尽管射电望远镜的口径、接收器技术和计算能力自20世纪60年代初以来已大大增加了。
  是不是我们过高估计了一个或更多的德里克参数的值?智慧文明的平均寿命是否很短暂?还是因为天文学家忽视了一些更深层的因素?
  让我们通过分析每个因子来重新求解德里克方程。
  平均每年在银河系中生成的恒星数R的值约为1——天体物理学家们相当肯定这一点(当然,这并不意味着每年正好有一颗新恒星生成,而是介于03~3之间的某个平均数)。
  
  有多少行星(fp)
  
  第二个变量fp,是拥有行星系统的恒星百分比。最近发现的被行星盘环绕的年轻恒星以及探测到围绕附近的类似太阳的恒星运行的行星,证实了天文学家们早就提出的猜想:行星是普遍存在的。
  原始行星盘已被各种红外观测设备探测到并在哈勃太空望远镜的猎户座星云照片中被直接看到,该星云是一个恒星大量生成的区域。这些观测似乎暗示,在所有新生成的恒星中,至少有50%被行星环绕。虽然没有人肯定这些行星盘会存在多久。最近的亚毫米波观测表明,在大量老年恒星周围,有更稀薄的尘埃盘,包括德里克的第一个探测目标波江座ε星。这些圆盘有许多是炸面圈型的,按照某些理论家的说法,那些中心洞只能是由于行星从圆盘内部吸积气体和尘埃造成的。
  在探测200个太阳型单星时,发现了10个行星系,这表明约有5%的恒星有行星伴随,所以fp应为005。然而,有一个误区,现行的探测技术只对大质量行星尤其是那些在很近轨道上的大行星是敏感的,和太阳系完全一样的行星系仍不能确认,很有可能,带有行星的太阳型单星的真正比例要远远高于5%,可能高达50%,甚至100%。
  
  适合生命的行星(ne)
  
  这个因子代表在其他行星系中有适合生命起源的环境的行星的平均数目(e代表“地球型”)。在1992年出版的《地球以外有人吗?》一书中,德里克回忆说,格林班克会议的参加者估计,ne值介于1~5之间。换句话说,每个行星系至少包含一个类地行星(一个存在液态水的行星),而每个行星系可能有三个、四个或五个这样的世界。
  这种乐观的看法是根据这一假设得出的,即我们的太阳系在大小、行星数量和分布上是具有普遍性的。今天,火星和木星的卫星欧罗巴被认为是早期生物的世界,在太阳系中,确实形成了三个“类地行星”。然而,在最近3年中发现的太阳系以外行星使人类认识到,拥有众多行星和卫星,在完美的、稳定的、近乎圆形的轨道中运行的太阳系,可能是个例外。
  
  有多少个生命起源(fl)
  
  fl是可居住行星的比值。建造生命的分子(复杂的有机碳氢化合物和氨基酸)在宇宙中是丰富的。它们在陨石、彗星和星际气体及尘埃中被发现。在星际空间中比在地球生物圈内存在更大量的氨基酸。无疑,大量原生物的进化正在恒星之间和黑暗的宇宙中进行。
  也许,在适当条件下,生命的起源是一个相当简单而容易发生的过程。如果这一过程十分罕见或很难发生,生命就不会在地球早期发生,而是更晚一些时候在这颗行星上出现。现在,生物学家们正在讨论生命是否曾在地球上出现过几次。有理由认为,今天所有的生物都有一个共同的祖先,但其他独立的生物链可能形成过并早早已被灭绝了。如果生命在一切有条件的地方都能生成,那么,可以推测fl=1。
  
  智能数目(fi)
  
  剩下的只有3个未知数。智能生命(fi)的进化又怎样呢?怎样才能证实地外文明能够并且愿意用无线电发射信号(fc)呢?什么是无线电文明的平均寿命(L)呢?在德里克方程中,这些生物学和社会学因素远比天文学因素更不确定。
  按照许多生命科学家的说法,认为另一颗行星上的生命进化必然导致和人类一样的智能生命是幼稚的。哈佛大学古生物学家高德在他的最畅销书《奇妙的生命》中断言,我们可能应把我们自身的存在归结于运气,人类不是生命进化的必然趋势。演化是不可预测的和无序的过程。高德曾指出,如果我们能倒回地球生命演化的录像带并重放一遍,人类再次出现是不可能的。
  当然,其他人会反驳说,我们正在寻找的不是外星球上的人类。没有人会指望在其他行星上发现人(小绿人或其他什么人),而是说,是否有其他类型的生物进化出使用工具的能力,发展成一个复杂的社会,积累并很好地应用知识并足以发现电子学原理。在乐观者看来,差异很大的各种动物在地球上各自进化出的智力水平和有目的的行为的区别似乎只是程度上的,而不是物种上的。
  高德注意到,在生命进化中没有统一的模式,没有特定的方向或偏向。我们认为,生物差异的增加必然伴随着智力的增加可能是个致命的错误。如果某些后来进化的动物比早先进化的动物更聪明,这可能只是个侥幸的成功。人类的智能和技术水平可能更是如此。
  在某些生物学家和地外探索的支持者看来,“适者生存”这句话表明,更高的智能必然增加一个物种的生存机会并渡过自然选择过程。但哈佛大学著名生物学家恩斯特·梅亚认为,许多天文学家和物理学家对智能的出现过于乐观。梅亚在1996年5月出版的《行星报告》中写道:“他们会说,如果生命在什么地方出现,到一定时候它必将发展成智能;另一方面,生物学家深刻认识到,这样一种发展不是必然的。”
  乐观者指出,地球在被膨胀的太阳烧毁前还有10多亿年时间,这是自从第一批简单生物爬出海洋登上陆地以来的时间的两倍多。如果智能生物的出现是十分困难和罕见的话,乐观者宣称,它就不可能出现得这样早。很可能在未来10亿年中,完全不同的智慧生物将再出现几次。
  悲观论者反驳说,我们实际上不知道地球将保持这种状况多久——地球表面上稳定的气候可能是一个漫长的幸运时期——所以事实上,我们可能在适合生命的时间区段内出现得迟了。
  奇怪的是,双方都承认所谓的哥白尼原理,即,人类并不享有在时间或空间中的优先地位。怀疑论者如梅亚说,正是人类中心论才相信,人类型智能曾在宇宙中一次又一次出现。相信者如德里克则不原承认我们的特殊性,因为这将违反哥白尼学说。
  显然,fl在德里克方程中是争论最多的因素。一些科学家相信它的值接近0,而其他人相信它的值接近1。似乎不存在中间值——智能生物出现的问题是地外探索中的一个两极分化问题。
  即使进化可能产生智能,fl也比1小许多。最近探索到的太阳系和行星气候的稳定性就是证明。由麻省理工学院的拉西奥和弗洛对其他行星做的计算机模拟表明,类地行星不可能在引力拉锯战下即在有两个(或更多)大质量的类木大行星的行星系中生存,它们会被抛出行星系或被摇摇晃晃地推入中央恒星内。
  反之,完全没有巨大行星的行星系也不适合带有生命的行星生存。由华盛顿卡内基学院的威斯韦尔做的计算机模拟表明,木星的作用就像太阳系的引力吸尘器一样,有效地扫除了闯入地球交汇轨道的众多危险的彗星。威斯韦尔说,没有木星,彗星与地球的碰撞几率将高出1000倍,每10万年发生一次灾难性的撞击(就像6500万年前发生的那一次),这肯定会阻碍任何以简单生命形式向更高智能的缓慢进化。
  还有,由莱斯和罗伯特所做的动力学研究表明,类地岩石行星在轨道上表现出无序的倾斜变化,这种倾斜能导致猛烈的气候变化。幸好,地球在轨道上倾斜的无序变化通过月球的潮汐作用被消除了。没有一个很大的卫星,地球可能已经历了类似于火星那样的自转轴倾斜的变化——大到20°~60°的变化,这将造成强烈的季节变化。
  生物学家相信,变化和压力会导致易变的适应性强的物种的出现。哈佛大学的霍夫曼和三位同事最近提出,在8.5亿年~76亿年前出现的一系列全球性冰期,冻结了各大洋洋面直至赤道。它是导致那一时期前后新的生命形式“前寒武纪大繁荣”的转折点。在地质年代后期恐龙大灭绝后,随着许多新物种的出现,地球又恢复了生机。人类在一次冰期中的出现就是压力驱动进化的一个例子。
  但太猛烈或太频繁的行星灾难将灭绝一切生物,或使受到打击的生命停留在一个低水平上。无论在哪种情况下,我们目前的存在都似乎是一系列天文上的巧合产生的偶然结果。
  
  外星人发射的信号
  
  假设地外智能生命存在,他们会通过无线电信号和我们交流吗?有多少文明能够并且愿意用一种我们能探测到的方式发射信号?换句话说,fc值是什么呢?地外智能生命探索的支持者倾向于认为fc值较大;或迟或早,任何技术文明都将发现,无线电是越过天文距离交流的最有效的方式,并会选择这样做。也许我们还不懂得生物进化的真正多样性,或者还有未被人类探索到的科学和技术领域。和有待于我们发现的事物相比,无线电可能是非常原始的。
  
  寿命
  
  对通讯文明的平均寿命L,乐观者和悲观者之间也相距甚远。乐观者声称,一个稳定的智能社会可存在几千万年,如果不是永存的话。悲观者指出,人类在几十年前才发明了无线电技术,而人类处于毁灭自己的边缘(通过高科技战争和污染)已有很长时间了。
  
  成功是无法预测的
  
  我们还能相信N=L吗?也许不能了。N=0如何?对许多人来说,这种极端情况是绝对不能接受的。也许这一说法有些道理:宇宙中没有什么事物只发生一次。也许外星文明是存在的,其中一些正试图通过无线电发射宣布自己的存在,但它们的数量可能非常非常少。
  在《地球以外有人吗?》一书的序言中,德里克写道,他想“使人们对目前的探测活动的结果——在近期探测到来自地外文明的信号有思想准备。我期望在2000年之前得到证实的这项发现,将深深地改变这个世界”。1996年7月在意大利卡普里岛举行的第五届国际生物天文学会议上,德里克承认:“也许我有点过于乐观了,成功是无法预测的。”考康尼和莫里松在1959年的《自然》杂志上发表的文章中已经告诉过他这个论点:“成功的可能性是很难预测的,但如果我们从不探索,成功的可能就是0。”
  我们离那个目标还有很长的路要走。第一项R十年前就已知道,我们现在正了解第二项fp。留给我们的是两个已部分知道的因素和三个尚未知道的因素。但也许德里克方程并不在乎被彻底解开,它的真正价值可能在于那些引起深思的问题中。不确定性和好奇心将继续使这种探索进行许多年。也许,解决地外智能生命探索的问题不是产生“是不是”的结果,而是帮助我们更多地了解我们自己。
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