【原】如果有外星人，他們會(huì)怎么做？答案有點(diǎn)后怕

天文在線 2023-04-08 發(fā)布于云南

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在史密森尼出版社的一篇新文章中，詹姆斯·特雷菲爾和邁克爾·薩默斯探索了可能存在于的一系列令人眼花繚亂的系外行星上的生命形式。在宇宙中尋找外星生命的科學(xué)家們正在尋找所謂費(fèi)米悖論的答案：人都在哪里?

我們都記得《金發(fā)姑娘和三只熊》的童話。我們高興地告訴我們的后代，熊爸爸的粥太熱了，熊媽媽的粥太冷了，但是熊寶寶的粥剛剛好。

并不令人驚訝的是,當(dāng)科學(xué)家們開始思考這樣一個(gè)事實(shí)：地球上的海洋保持液態(tài)數(shù)十億年，就是為了生命的生存。地球的溫度不太熱也不太冷,而是剛剛好，人們把他們命名為第一個(gè)“剛剛好”的宜居星球。

和所有同類型的恒星一樣，我們的太陽(yáng)自形成以來在45億年的時(shí)間里逐漸變亮。大約40億年前，當(dāng)海洋最初在地球上形成時(shí)，太陽(yáng)的亮度比現(xiàn)在暗30%，所以地球需要吸收更多的太陽(yáng)能來防止海洋結(jié)冰。隨著時(shí)間的推移，太陽(yáng)向地球傾瀉了更多的能量，地球大氣的組成也發(fā)生了變化，通過溫室效應(yīng)影響溫度。

盡管如此，在整個(gè)地球歷史上，海洋似乎只比冰點(diǎn)高幾度。不太冷，也不太熱。僅舉一個(gè)大氣變化的例子，我們知道，35億年前，地球上的海洋是藍(lán)藻繁盛的棲息地，很像我們所說的綠色池塘浮渣。那時(shí)，大氣中幾乎沒有游離氧，但細(xì)菌釋放氧氣作為光合作用的廢物(就像今天的植物一樣)。

起初，這些氧氣是通過化學(xué)反應(yīng)除去的，比如地表巖石中的鐵生銹，但大約在25億年前，在一些科學(xué)家所說的“大氧化事件”中，氧氣的含量開始增加。據(jù)推測(cè)，許多地球上的原始居民因?yàn)闊o(wú)法忍受氧氣而滅絕，淹沒在自己產(chǎn)生的廢物中。

然而，有些生物卻逐步適應(yīng)并能夠利用氧氣來驅(qū)動(dòng)呼吸循環(huán)，這讓你和地球上其他所有動(dòng)物都能活到今天。

1978年，當(dāng)時(shí)在德克薩斯州三一大學(xué)的天體物理學(xué)家邁克爾·哈特發(fā)布了一個(gè)描述地球大氣演化的計(jì)算機(jī)模型。在這個(gè)模型中，早期太陽(yáng)的微弱加熱效果是受到大氣中氨和甲烷產(chǎn)生的溫室效應(yīng)的幫助（這兩種物質(zhì)，就像我們更熟悉的二氧化碳，CO2，都是溫室氣體）。

隨著太陽(yáng)越來越亮，生物產(chǎn)生的氧氣破壞了這些化合物，降低了溫室效應(yīng)，從而補(bǔ)償了太陽(yáng)增加的輻射。最終，在二氧化碳和水蒸氣驅(qū)動(dòng)的溫室效應(yīng)下，我們現(xiàn)在的大氣層出現(xiàn)了。從本質(zhì)上說，地球一直在刀鋒上行走，一邊是失控的溫室，另一邊是凍成冰球。

然而，從我們的觀點(diǎn)來看，哈特的計(jì)算中最重要的部分是觀察如果地球與太陽(yáng)的距離與現(xiàn)在不同，那么會(huì)發(fā)生什么？根據(jù)他的模型，如果地球離太陽(yáng)遠(yuǎn)1%或近5%，使海洋保持液態(tài)的微妙平衡就會(huì)消失。因此，考慮到地球大氣層的演變，我們產(chǎn)生了這樣一種想法:在恒星周圍有一條帶狀區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域中，行星表面的海洋可以在數(shù)十億年里保持液態(tài)。

這條帶狀區(qū)域被稱為環(huán)繞恒星的宜居帶(CHZ)，它已經(jīng)成為推動(dòng)科學(xué)家思考系外行星上生命的中心思想之一。和所有同類型的恒星一樣，我們的太陽(yáng)自形成以來，在45億年的時(shí)間里變得越來越亮。

大約40億年前，當(dāng)海洋最初在地球上形成時(shí)，太陽(yáng)的亮度比現(xiàn)在暗30%，所以地球需要吸收更多的太陽(yáng)能來防止海洋結(jié)冰。

環(huán)恒星宜居帶和宜居性

關(guān)于環(huán)恒星宜居帶，我們能說的第一件事是，每顆恒星都會(huì)有一個(gè)環(huán)恒星宜居帶。換句話說，恒星周圍總會(huì)有一條環(huán)狀區(qū)域，在那里能量平衡可以使行星表面的溫度保持在水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)之間。對(duì)于小而昏暗的恒星來說，這個(gè)宜居帶又窄又近。

許多宜居帶內(nèi)的系外行星距離恒星的距離比水星離太陽(yáng)的距離還近。同樣，大而亮的恒星的宜居帶也更寬更遠(yuǎn)。此外，如上所述，恒星的能量輸出會(huì)隨著時(shí)間的推移而增加，因此宜居帶實(shí)際上會(huì)隨著恒星的年齡向外移動(dòng)。

然而，重要的是，因?yàn)槊款w恒星在某個(gè)地方都有一個(gè)宜居帶，我們預(yù)計(jì)，僅僅是偶然，行星會(huì)在這些區(qū)域形成。說到這一點(diǎn)，我們必須補(bǔ)充一點(diǎn)，在過去的10年或20年里，科學(xué)家們已經(jīng)意識(shí)到必須更加仔細(xì)地考慮環(huán)恒星宜居帶，而不是簡(jiǎn)單的只考慮溫度。

正如麻省理工學(xué)院的天體物理學(xué)家薩拉·西格指出的那樣，位于宜居帶的行星并不能保證確實(shí)是宜居的。事實(shí)上，有許多因素可以影響在一個(gè)環(huán)恒星宜居帶的世界上存在生命的可能性。

隨著對(duì)系外行星的探索不斷深入，在宜居帶中找到一顆地球類型的行星已經(jīng)成為了天文學(xué)界的圣杯。但今天我們已經(jīng)意識(shí)到，行星的宜居性不僅僅取決于其軌道的位置。例如，研究人員觀察了不在其恒星宜居帶內(nèi)的世界，表面沒有液態(tài)水海洋，但可能存在生命甚至是先進(jìn)文明的家園。諸如此類的考慮讓科學(xué)家們對(duì)生命出現(xiàn)的必要條件有了更廣泛的認(rèn)識(shí)。如果地球離太陽(yáng)遠(yuǎn)1%或近5%，使海洋保持液態(tài)的微妙平衡就會(huì)消失。

涉及的恒星類型

行星圍繞的恒星類型對(duì)生命的發(fā)展有著重要的影響，即使對(duì)宜居帶中的行星也是如此。例如，被稱為紅矮星的小而昏暗的恒星構(gòu)成了銀河系中恒星的最大比例，它們經(jīng)常經(jīng)歷極端的活動(dòng)時(shí)期。恒星耀斑和大量帶電粒子的拋射會(huì)使任何行星表面的生命都變得非常困難，無(wú)論該行星是否在宜居帶中。在這樣的系統(tǒng)中，生命很可能必須留在海底或地下才能生存。在這種情況下，宜居帶就變得無(wú)關(guān)緊要了。

科學(xué)家們開始放棄生命必須在行星表面進(jìn)化和生存的觀點(diǎn)。例如，目前的許多觀點(diǎn)認(rèn)為，火星上的生物將會(huì)在地表以下發(fā)現(xiàn)。此外，如果外太陽(yáng)系的次表層海洋中存在生命，例如木衛(wèi)二和土衛(wèi)二的海洋，根據(jù)定義，它們也將會(huì)在地表以下。

即使是在地球上，似乎地表下的生物量也比地表上的要大。因此，與小恒星相關(guān)的強(qiáng)烈輻射環(huán)境不一定會(huì)妨礙生命的發(fā)展，即使用我們目前的技術(shù)可能無(wú)法直接探測(cè)到生命。

另一方面，質(zhì)量更大的恒星提供了更溫和的輻射環(huán)境，但它們的壽命相對(duì)較短。在某些情況下，它們的壽命可能只有3000萬(wàn)年。在如此短的時(shí)間內(nèi)，除了簡(jiǎn)單的微生物外，不太可能有任何生命能在一個(gè)星球上進(jìn)化。此外，這樣的恒星在被稱為超新星的巨大爆炸中結(jié)束了它們的生命，這肯定會(huì)摧毀附近的任何行星。

因此，即使生命確實(shí)在這樣一顆恒星的宜居帶中發(fā)展，它的所有痕跡也會(huì)在恒星死亡時(shí)消失。正是由于這些限制，系外行星獵手們才把注意力集中在像太陽(yáng)這樣的中型恒星的宜居帶內(nèi)的行星上。麻省理工學(xué)院的天體物理學(xué)家薩拉·西格指出，位于宜居帶的行星并不能保證確實(shí)適宜居住。

大氣的演化

在關(guān)于宜居性的討論中，復(fù)雜性的第二個(gè)來源是由于行星大氣不是穩(wěn)定不變的系統(tǒng)，而是隨著時(shí)間的推移而演變。地球大氧化事件只是這類過程的一個(gè)例子。對(duì)于像火星這樣的小行星來說，大氣的引力逃逸起著重要作用。構(gòu)成行星大氣的分子總是運(yùn)動(dòng)的，溫度越高，它們運(yùn)動(dòng)得越快。然而，不管溫度如何，總有一些分子比平均分子運(yùn)動(dòng)得快一些分子運(yùn)動(dòng)得慢。如果運(yùn)動(dòng)較快的分子獲得了足夠的速度，并且恰好沿垂直于行星表面的方向運(yùn)動(dòng)，它們就能克服行星的引力，逃到太空中去。

行星越大，其引力就越強(qiáng)，也就越容易留住大氣層。例如，在地球上，一個(gè)分子要以每秒7英里（11公里/秒）的速度運(yùn)動(dòng)才能逃脫。值得注意的是，使重分子加速比使輕分子加速更難。這意味著較輕的分子比較重的分子更容易因引力逃逸而丟失。

例如，地球失去了大量原來的氫和氦，這是它大氣中最輕的成員，而火星失去了更重的氣體，如氧和氮。一種稱為光離解的相關(guān)損失機(jī)制對(duì)水分子特別重要。如果行星表面有水，大氣中就會(huì)有水蒸氣。這顆行星的恒星發(fā)出的紫外線輻射會(huì)分解位于大氣上層的水分子。由此產(chǎn)生的氫是輕的，會(huì)因引力逃逸而失去，而氧會(huì)與表面的原子結(jié)合，產(chǎn)生各種氧化礦物。

例如，我們相信，這就是火星在其早期歷史中失去海洋的原因，火星的紅色是其表面巖石中鐵的氧化(生銹)的結(jié)果。另一種重要的變化與二氧化碳有關(guān)，它是地球大氣中的一種重要的溫室氣體(和水蒸氣)。每一次地球上的火山爆發(fā)，二氧化碳就會(huì)從地幔深處釋放出來并被注入到大氣中。

在一個(gè)被稱為“深碳循環(huán)”的復(fù)雜過程中，二氧化碳被吸收到海洋中并與石灰?guī)r等物質(zhì)相結(jié)合。這個(gè)過程之后，連同其他物質(zhì)，二氧化碳又會(huì)被帶回地球深處。因此，行星上的一般地質(zhì)活動(dòng)會(huì)影響其大氣中二氧化碳的含量，而二氧化碳的含量反過來又會(huì)影響其溫度。

我們相信金星早期存在的表面海洋會(huì)因?yàn)榻鹦堑母邷囟舭l(fā)，這是由于金星接近太陽(yáng)的結(jié)果。因此，金星沒有辦法將二氧化碳從大氣中去除，而且，由于缺乏深層的碳循環(huán)，金星深受二氧化碳積累之苦，這就是所謂的失控的溫室效應(yīng)。

這些例子表明，外行星大氣的變化（我們必須說明，這種變化我們目前無(wú)法通過現(xiàn)有設(shè)備觀察到），可以對(duì)其宜居性產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。僅舉一個(gè)例子，一顆位于其恒星宜居帶的行星碰巧只有很少的水，可能會(huì)遭受失控的溫室效應(yīng)，最終變成和金星一樣。從遠(yuǎn)處看，很難知道這樣的事是否發(fā)生過。

隨著對(duì)系外行星的探索不斷深入，在宜居帶內(nèi)找到一顆地球類型的行星已經(jīng)成為了天文學(xué)界的圣杯。但今天我們已經(jīng)意識(shí)到，行星的宜居性不僅僅取決于其軌道的位置。

智能與科技

事實(shí)上，我們對(duì)一個(gè)宜居星球上的生命是如何以及何時(shí)發(fā)展的已經(jīng)有了相當(dāng)好的理解，這使得我們對(duì)這類行星上生命發(fā)展的討論有了一些猜測(cè)。雖然外星生命的化學(xué)組成不需要以地球上生命運(yùn)行的相同系統(tǒng)為基礎(chǔ)，但假設(shè)其他宜居世界的生命形式也同樣依賴于包含在大型碳基分子中的復(fù)雜信息，這不是太大的跳躍。

碳可以形成堅(jiān)固、穩(wěn)定的原子鏈和原子環(huán)，這些原子鏈和原子環(huán)非常適合用作攜帶信息的生物分子。

此外，我們不必假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)科幻小說里的星系里都是會(huì)說英語(yǔ)的兩足原始人，就能理解自然選擇是如何在其他的宜居世界里運(yùn)作的。我們可以看看地球上智能和技術(shù)的發(fā)展，并將其與銀河系中類似的適居行星進(jìn)行類比。我們必須注意的自然選擇的關(guān)鍵點(diǎn)是:這不是一個(gè)選擇美好或道德價(jià)值的過程。

一個(gè)古老的笑話指出了這一點(diǎn):兩個(gè)徒步旅行者在山里遇到了一只饑腸轆轆的灰熊。

其中一個(gè)徒步旅行者開始脫下他的背包。另一個(gè)說:“你在干什么?”你不可能跑得比那只熊快。我不需要跑得比熊快，我只要跑得比你快就行了。即使跑得慢的是一個(gè)幫助老婦人過馬路的善良的人，那也沒有什么區(qū)別。

自然選擇不在乎。唯一重要的是他的同伴跑得更快。這些基因會(huì)遺傳給下一代?？茖W(xué)家們開始放棄生命必須在行星表面進(jìn)化和生存的觀點(diǎn)。例如，目前的許多觀點(diǎn)認(rèn)為，火星上的任何生物都可以在地表下找到。

宜居世界上的生命形式

所以這告訴了我們關(guān)于在宜居星球上進(jìn)化生命的類型?？峙麓鸢覆皇呛芰钊斯奈瑁?yàn)樽钣锌赡艿慕Y(jié)果是，他們可能不會(huì)比智人更溫和和善良?；仡櫸覀?nèi)祟惖臍v史和化石記錄中發(fā)現(xiàn)的20多種原始人的消失，我們不能抱著樂觀的態(tài)度看待我們將遇到一個(gè)比我們更和平的先進(jìn)科技物種的可能性。

我們?cè)谀抢锇l(fā)現(xiàn)的任何一個(gè)人很可能都不會(huì)比我們更道德或更不好戰(zhàn)，好可怕！

可以這樣看:如果我們把宇宙的歷史壓縮為一年，地球和太陽(yáng)系都是在勞動(dòng)節(jié)前后形成的，科學(xué)的發(fā)展也不過是最近幾秒鐘的事。

在智人出現(xiàn)之前的“一整年”里，沒有其他生物文明的產(chǎn)生是極不可能的。物理和化學(xué)的規(guī)律并不隱晦或隱藏，任何中等智慧的文明都能發(fā)現(xiàn)它們。至少一部分“金發(fā)姑娘”的文明會(huì)這樣做。一定是某個(gè)外星的“艾薩克·牛頓”推動(dòng)了人類邁向先進(jìn)科技文明的進(jìn)程。

最令人不安的事實(shí)是，我們找不到任何證據(jù)表明存在這樣的文明。

即使沒有比光速還快的曲速引擎，而且我們也沒有在技術(shù)上取得重大進(jìn)展，即便如此，計(jì)算表明，在3000萬(wàn)年里，即我們的宇宙年的一天之內(nèi)，人類可能會(huì)遍及整個(gè)銀河系。

如果我們能做到這一點(diǎn)，那么任何其他像我們一樣先進(jìn)的文明也可以做到。

那其他文明在哪里呢?

這個(gè)問題就是所謂的費(fèi)米悖論(以20世紀(jì)最杰出的物理學(xué)家之一恩里科·費(fèi)米(Enrico Fermi, 1901 - 1954)的名字命名)。有人曾經(jīng)向他提到過一些計(jì)算，表明銀河系中應(yīng)該有數(shù)百萬(wàn)的先進(jìn)文明。費(fèi)米想了一會(huì)兒，然后問道:大家都去哪兒了?換句話說，為什么他們還沒來呢?對(duì)于外星人來說，為什么我們會(huì)經(jīng)歷科學(xué)家所說的“大寂靜”

科學(xué)家和科幻小說作家，作為罪富有想象力的靈魂，已經(jīng)想象出許多種可能。下面是一些最受歡迎的觀點(diǎn)：

? 動(dòng)物園假說:外星人已經(jīng)宣布地球是一個(gè)受保護(hù)的荒野區(qū)域。

? 《星際迷航》假設(shè):外星人已經(jīng)接受了一個(gè)主要指令，阻止他們干擾發(fā)展中的文明，比如我們的文明。

? 天堂假說:外星人生活在理想的環(huán)境中，又胖又快樂，對(duì)探索沒有興趣。

? 替代假說:有機(jī)生命已經(jīng)被智能機(jī)器取代(這是人類經(jīng)常設(shè)想的未來)，機(jī)器對(duì)接觸有機(jī)生命沒有興趣。

然而，問題是，雖然我們可以想象這些場(chǎng)景在一些外星文明中發(fā)生，但很難認(rèn)為它們是生命發(fā)展的必然結(jié)果。

在它們的恒星宜居帶中一定有數(shù)百萬(wàn)顆地球大小的行星，我們已經(jīng)在幾千顆系外行星的小樣本中發(fā)現(xiàn)了其中的幾十顆，這一事實(shí)支持了這個(gè)猜想。

如果說，他們所有人都用了《星際迷航》中的指令，這是極不可能的。

“為什么我們不知道高級(jí)外星文明的存在”這個(gè)問題，恐怕最合乎邏輯的答案就是根本不存在這些文明。