【引子:开普勒望远镜退役】

        2013年5月15日,开普勒太空望远镜由于反应轮故障,无法设定望远镜方向,被迫停止搜寻太阳系外行星的工作。8月18日,美国宇航局表示反应轮故障已经无法修复,正式结束其主要科学任务。自2009年3月发射以来,截至2013年1月7日,“开普勒”已经发现了2740个系外行星候选者,其中有58颗处于生命宜居带中,有可能诞生生命。“开普勒”发现的系外行星比之前所有的科学仪器发现的加起来还要多。“开普勒”的故障对于寻找外星人的事业来说,可谓一个重大打击。

宇宙中的生命

宇宙中的生命

 

【外星世界知多少】

         现代的天文和航天探测表明太阳系其他行星上并不存在人类熟知的技术文明。那么银河系呢?它包含了几千亿颗恒星和无数隐藏在它们光辉之后的行星。不应排除那里存在智慧生命的可能。

         1959年,《自然》杂志发表了一篇想象力十足的文章《寻求星际交流》——它如今已被该领域的研究者奉为“经典中的经典”,两位天文学家科科尼和莫里森提出利用微波辐射来探测银河系其他文明的构想。随后,一位年轻的美国天文学家弗兰克·德雷克于1961年提出一个方程,用来估测存在于银河系中的地外文明星球的数量。

【小贴士:德雷克方程】

N= N* x Fp x Ne x f1 x Fi x Fc x fL

N是银河系中高级技术文明的数量。“高级”是假定这种文明掌握射电天文学——就人类目前所知,两个星际文明要取得联系只能靠电磁波。

因为我们想从无数昏暗行星中找出特殊的一个,德雷克在等式右边放置了七个“筛子”——通过给这些“筛子”(因子)赋值,合适的星球就会像沙中淘金那样被留下。

N*:代表银河系中的恒星数,一般认为是4000亿颗,其中绝大部分处于稳定状态。

Fp:恒星具有行星系的概率,取1/3。

Ne:给定行星系中从生态学角度讲适合生命生存的行星数,取为2。

f1:确有生命出现并且在生态学以外其他方面也适宜生命存在的行星比率。

Fi:住有智能生命且该种生命已经进化的行星比率。

Fc:有智能生命居住,并且发展了通讯联络技术的行星比率。

fL:技术文明延续时间占行星寿命的比率。

         可以想见,在德雷克方程的变量中,从f1开始,参数取值的随意性在逐步加大。毕竟科学家只有地球一个样本可供参考,而地球是宇宙中的特例还是普通一星尚不得而知。

         文明的发展应该是殊途同归的。但技术的进步包含了太多偶然,生物进化更是受到化学及地质,气象等多种因素制约。以地球为例,它形成46亿年来,只是最近几百万年才出现智慧生命,射电天文学的发展更是近几十年的事情。因此地球的fL应小于10-8(一亿分之一)。而且我们不敢保证地球文明不会因天灾人祸而突然毁灭。按此推算,N值约等于10。当这么几个少得可怜的文明社会处于此消彼长的状态时,同时存在于银河系内的技术文明数甚至可能小于1。也就是说,目前地球人是银河系中唯一掌握射电天文学的文明。

         美国天文学家和科幻作家卡尔·萨根则认为有部分文明可以因学会协调个体与个体,群体与自然界的关系而长存。这样,fL可以约等于1/100,而N值约等于 10的7次方(一千万)。

         如果真有数百万个掌握技术文明的世界均匀分布在银河系中,那么两个文明世界之间的平均距离是200光年。假使我们接收到它们的信号,它们至少已在技术上领先我们两个世纪了。艾萨克·阿西莫夫在《地外文明》一书中对此做了更为详尽的推理。在综合考虑了恒星和行星天文学、有机化学、进化生物学、技术科学、历史、政治乃至心理学等因素后,他得出结论——在银河系中,目前有技术文明存在于其上的行星数目是530000颗。同时, 阿西莫夫坦率地承认,科学上某些最新的发现会使其推理出现漏洞,并极大地影响N值的可信度。

生命宜居带

 

【他们在哪儿?】

         在科幻电影《星际迷航8:第一类接触》中,人类将在2063年4月5日与外星智慧生物发生第一次接触。由于人类建造的“凤凰号”飞船进行曲速航行的痕迹被宇宙中的另一种智慧生物——瓦肯星人的飞船探测到,于是它们改变航向,飞临地球。这是人类与外星智慧生物的首次接触。但是,现实中人类却从未发现外星人存在的迹象。

 

         什么样的行星才有可能产生类似地球物种的生命呢?科学家提出了恒星周围“生命宜居带”的概念。所谓生命宜居带,就是指位于这个区域内的行星可以产生生命,并且能够长期维持生命的存在。在我们太阳系中,生命宜居带就位于距离太阳0.99~1.7个天文单位的宇宙空间内。

         一颗行星位于生命宜居带内,并不表明上面一定有生命存在,还要满足一系列苛刻条件。首先,这颗行星上一定要有液态水,而且液态水是长时期稳定存在的。以地球为例,行星表面的水存在了数十亿年以上,才能保证生命诞生和演变为高等生命。一个恒星周围的宜居带有内边界和外边界。如果超越内边界,行星过于接近恒星,表面温度就太高了,就像水星那样,不易保持液态水,更不利于生命发展。如果超过外边界,离恒星太远的话,温度太低,水处于冰冻的状态,生命也无法存在和演化。

         另一个要素就是行星本身的质量。如果行星距其恒星恰好是1个天文单位,则要求行星质量相当于地球的0.5~10倍。如果质量太小,行星的引力就不足以保持维系生命存在的大气,也就没有了保护生命免遭致命辐射伤害的保护层;质量太大,又容易吸引氢,从而形成木星那样的气态行星,生命也无法生存。

         此外,生命宜居带还涉及恒星在星系中的位置。比如恒星不能靠近一些太大的恒星,因为大质量恒星演化到最后阶段会发生猛烈的爆炸,产生强烈的辐射,不利于生命生存。因此,恒星在其星系中的位置也要恰到好处,就如我们的太阳在银河系的位置。

         过去16年间,天文学家共发现700多颗太阳系外行星。不过,绝大多数已证实的系外行星都属于木星这样的巨型气态行星,或者是温度极高、轨道距离母星很近。也就是说,在这些星球上发现生命的可能性非常渺茫。

         尽管如此,科学家根据观测结果推算,银河系几乎每颗恒星都有一颗行星环绕,所以整个银河系约有1000亿颗行星。这其中大约有17%——即多达170亿颗——是大小与地球类似的行星。那么,这些行星中位于生命宜居带的又有多少呢?答案是约10亿颗。对于那些技术水平高于地球人的地外文明来说,适于居住的星球将更多。人类都可以定居在沙漠和极地,何况掌握高科技的外星人。既然有这么多居住地,为何“空置率”这么高?他们在哪里?

宇宙中广泛存在有机分子

 

【费米悖论】

         1950年的一天,曾获1938年诺贝尔物理学奖的恩里科·费米在洛斯阿拉莫斯国家实验室工作。他在去吃午饭的路上,和同事谈论当时流行的UFO报导和阿兰·邓的漫画。漫画把市内垃圾箱的失踪归咎于外星人的掠夺。接着他们谈到未来十年内,人类能够观测到超光速运动的物体的概率大小。泰勒认为是百万分之一,但费米觉得接近于十分之一。然后话题又转向其他方面,直到午餐时费米突然问道“他们在哪里?”据其中一个在场人士回忆,费米当时用了几个估计的数值做了一系列的快速计算。依靠估算,他当时的结论是地球应该在很早以前被外星人访问过,而且被访问的次数远不止一次。

         费米悖论在天体生物学中被表述为“大寂静”。即“考虑到宇宙巨大的空间和极其古老的历史,宇宙中应当存在许多具有高度发达文明的智慧生命,但我们却没有找到任何相关的证据,这两者之间似乎存在一种矛盾。”拿银河系来说,它的直径大约是10万光年。即便地外文明发射的飞船以光速的千分之一航行,也只需1亿年左右就可横穿银河系。这个时间远远短于银河系的年龄。如果真存在外星人的话,按道理他们早该遍布银河系了。卡尔·萨根曾借《超时空接触》女主角艾莉之口说出了一句著名的论断:“宇宙这么大,如果只有我们,是不是太浪费地方了?”

         在费米提问六十多年后的今天,这个问题仍然令我们困惑。毕竟,几十年来,对地外文明无线电信号的搜索依然是一片空白。

         费米悖论为科学家和科幻作家们提供了巨大的思考空间,到目前为止,它已经被给出了不下50种解答。这些解答可以分成三类:

1.外星文明是存在的,只是我们无法发现或不愿承认;

2.外星文明虽然存在,但由于各种原因,它们还未和地球进行交流;

3.外星文明不存在。

         美国物理学家、科幻作家大卫·布林在1983年发表的《大沉默——关于地外智慧生命的辩论》一文中提出,人类之所以未能发现任何地外文明的踪迹,是因为存在着一种还不为人类所知晓的危险,迫使所有比人类更智慧的地外文明保持沉默。布林对这种潜在的危险并没有做更进一步的描绘,而科幻作家福瑞德·萨伯哈根在科幻小说《狂暴战士》系列中设想的以消灭宇宙中所有有机生命为唯一指令的智能末日武器“狂暴战士”则为“大寂静”假说所猜测的危险提供了具体解说。在《狂暴战士》的启发下形成的一种对费米悖论的严肃解释就认为,宇宙中可能遍布着与狂暴战士类似的威力强大的智能武器,攻击甚至消灭了许多地外文明,而幸存下来的地外文明,则因为害怕引起它们的注意而不敢向外发射信号。所以人类至今无法探测到地外文明存在的实际证据。物理学家霍金也警告人类不要擅自向宇宙发出“我在这里”的呼唤,以防引狼入室。

         在《三体Ⅱ》中,刘慈欣借罗辑之口给出了对费米悖论的解答:“宇宙就是一座黑暗森林,每个文明都是带枪的猎人,像幽灵般潜行于林间……他必须小心,因为林中到处都有与他一样潜行的猎人……在这片森林中,他人就是地狱,就是永恒的威胁,任何暴露自己存在的生命都将很快被消灭,这就是宇宙文明的图景,这就是对费米悖论的解释。”

         人类近代科学的发展仅有数百年的时间,与宇宙漫长的寿命相比,实在是太微不足道了。在近乎无边的宇宙时间和空间下,一个文明由单细胞生命逐渐演化至掌握太空航行技术的智慧生物,但还是没有发生文明之间的接触,这是因为它们可能与我们“擦肩而过”。它们在遥远的宇宙空间中发展其文明,空间的隔离使得我们无法发现彼此。更重要的是,可能其他文明早已灭亡了,而人类文明才刚刚开始演化。时间上的不同时性也使得“第一类接触”事件无法发生,可能一个文明离开了,而另一个文明才到来。也许,一些基于纳米技术的信息采集装置可能正遍布于地球周围,却完全不会被人发现。克拉克第三定律(任何非常先进的技术,初看都与魔法无异)也暗示,远先进于人类的外星文明可能拥有不被人类理解的调查手段。

弗里曼·戴森

 

【宅人天堂:戴森球】

1964年,苏联天文学家卡尔达谢夫提出地外文明可能以三种发展水平存在:

Ⅰ型文明是只能控制本星球的文明,利用本星球的矿藏能源,在本星球上种植、生产和居住。人类文明就属于Ⅰ型文明。它可以达到控制核聚变产生能量的水平。

Ⅱ型文明是能掌握整个恒星和所属行星系统的文明。以地球为例,将来人类能掌握整个太阳系内任何天体的物质和能源时,就进入了Ⅱ型文明时期。它能掌握的能量强度是Ⅰ型文明的100万亿倍。

Ⅲ型文明是能掌握整个星系的文明。以银河系为例,它的直径为10万光年,拥有几千亿颗恒星。将来人类能掌握整个银河系的文明时,就进入了很高级的Ⅲ型文明时期。

         一个Ⅰ型文明发出的信号,可以拥有大到足以令其周围数千光年范围内任何一部射电望远镜探测到的能量。Ⅱ型和Ⅲ型文明称为超级文明。对于这两种文明,其可探测范围甚至可以扩大到星系甚至整个宇宙。

         如何才能成为Ⅱ型乃至Ⅲ型文明呢?曾经担任爱因斯坦助手的科学家弗里曼·戴森,在20世纪中叶提出了一个很有创意的理论假设——“戴森球”,给出了可行的方案。

         戴森认为,技术上极其先进的文明不是海难的求救者,他们不会花费那么多时间和精力向太空发送信息。相反,他们会尽可能地改善自己的生存环境。戴森假设有的技术文明能够存活足够长的时间,那么该文明所在行星将难逃能源枯竭的厄运。这是每个文明进化过程中的一个重要的坎,所有文明若想迈过这道坎必然要走相同的路:建造一个巨大的集光器——包围恒星的球形太阳能板。天文学家们将这一超级建筑称作戴森球。戴森在他1960年发表于《科学》杂志的论文《人工恒星红外辐射源的搜寻》中提出了这一概念。这个概念很可能受到了奥拉夫·斯特普顿写于1937年的科幻小说《造星者》的启发。

戴森球能量体

 

         建造戴森球并不需要科学理论上的突破。在绕日轨道上部署太阳能太空电站将是建造戴森球的第一步。当然,建造并部署能够包裹太阳的数量巨大的空间站仍远远超出人类目前的工业生产能力。戴森球被提出后就成了科幻作品中的常客。拉里·尼文的《环形世界》、野尻抱介的《太阳篡夺者》中都有类似的结构。

         戴森球是一种环绕恒星的均匀壳体,这个壳体能够百分之百拦截恒星的能量输出。如果其表面能够居住的话,它能够为居民提供极大的活动空间。若围绕太阳建造一个半径为1个天文单位的戴森壳,其内壁面积至少为2.72×1017平方千米,这相当于地球表面积的6亿倍。这个戴森壳将拦截全部4.0×1026瓦特的太阳能量输出。这大概是人类在1998年消耗的全部能量的330万亿倍。至于原材料,拆解水星就好了。

         对于居住在戴森球上的外星人来说,不让废热泄露到太空中有助于充分利用能源。加拿大科幻小说作家卡尔·施罗德就认为:根本无法把先进的星际文明从宇宙背景中识别出来。也就是说,低级文明是无法探测到先进文明的。这也意味着我们无法通过天文观测的技术手段来发现外星人存在的证据。这些先进的技术文明已经实现了乌托邦式的社会,他们不会产生任何我们可以探测到的废弃物。他们已经掌握了“绿色科技”,达成了与自然界的平衡,因此可以彻底融入自然之中,巧妙地和星系背景融为一体。或许在宇宙中,只有那些最终达成了生态平衡的文明才可以长久地存在下去。至于探测宇宙、获取知识的危险工作——要冒着冬眠失败或幽闭发疯的危险——交给能够自我复制的“冯·诺依曼式”飞船即可。外星人可以舒服地躲在戴森球中,在电脑网络上冲冲浪,或者看看已经复制到第N代的探测器又发回了什么有趣的信息。或者,外星人早已经在宇宙间逛腻了,他们只想安静一下。阿瑟·克拉克的《城市与星星》中就描绘了一个高度发达却内向的文明,在热闹地探索太空之后,把自己封闭在穹顶下达5亿年之久。

         所以,观测不到地外文明的存在可能恰恰是外星智慧文明存在的合理体现,他们已经把自己藏起来了。

         太阳每天向地球投射的能量是人类文明所需能量的1万倍。这听起来似乎很多,但人类工业文明才刚刚起步,而且增长速度很快。在过去的三十年里,全世界能源消耗增长了一倍。如果仍以这种速度增长,四百年后,人类所收集和产生的能量将与投射到地球上的太阳能相等。或许我们也应该考虑建设戴森球,使自己“宅”起来了。(作者:赵洋;本文来自《科幻世界》)

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