|
（哈勃）极深空（照片），简称XDF。这张照片是由美国航空航天局的哈勃太空望远镜10年来拍摄的照片叠加而成的，所拍摄这片天空位于此前哈勃超深空（照片）的中心，是我们最深远的宇宙影像。照片由美国航空航天局提供 春天的活动是多种多样的。作为一个生长在英格兰农村的孩子，我曾经被分配到一个长期无人值守的花圃里，去做寻找和整理球茎的苦差事。我不知道从园艺学的角度看，春天是不是做这种事情的好时机。似乎在我看来，这些在严酷冬季中幸存下来的植物，它们坚强的小芽儿可能只想要静静等待着太阳的温暖穿透那覆盖着它们的泥土。但这是分配给我的命令，于是我开始扫走去年的枯叶，怯生生地翻弄着肥沃的冲积土。对于幼小的我而言，这片土地显得庞大而空旷。换句话说，如果我不是偶然发现了一小坨坚硬的土块，那么这里的一坨坨土块几乎没有什么区别。那一小块土是我发现的第一颗珍贵的球茎。 这颗球茎让我瞬间涌起了一种乐观情绪。我只找了一小会儿就已经在这儿找到了我的一个猎物。一次有些讨厌的午后活动变成了一场大有前途的探险。土壤中可能隐藏着一大群这样滑溜溜的生命。我想象我脏脏的小手指感觉着它们、找到它们。我想象我的小铲子将如何挖出一铲又一铲的骄傲。巨大的财富和荣誉等待着我。 但除了那一颗球茎以外，其他什么也没有发生。没有其他的球茎，没有其他的生命迹象。随着我挖、戳、捅，我的手越来越疼，与此同时，那已然遍布恐怖的黑色土地变成了恰如宇宙般广袤的荒芜。怎么会这样？如果我开始搜索仅仅几分钟就已经找到了一颗多汁的球茎，那这显然预示着还有大量其他的球茎存在？ 球茎事件刺痛了我的骄傲。那令人费解的余韵直到进入夏日后很长一段时间——当各种各样的新事物占据了我的生活之后才消退下去。但在成年后，我又多次想起了它，因为它道出了一个最迷人、最具有挑战性，也最令人沮丧的问题。对于像我这样的天体生物学家来说，这个问题是我们在宇宙其他地方寻找生命的探索中每天都要面对的问题。 一大片土地上那一个孤独球茎的迷惑，与“我们在宇宙中是否孤独”这样的疑惑有着有一个共性。直到最近，我们也只知道这样一颗可供生命存在的行星，它处在一个单一的行星系统中，漂泊在一个有着无数恒星的宇宙中。我们的家园就是那唯一的一颗小星星，就是伟大的宇宙花园中那颗孤独的球茎。这就引出了一个本质上相同的问题：一切就是这样了吗？或许还有更多这样的星球吗？ 我们可能会猜想，正是我们在这片广袤宇宙中的存在使得其他生命的存在成为了必然，或者至少是很有可能。但是，这种自负是极具误导性的；它的不幸产生来自于统计推断和概率论中最具挑战性的一个方面。这是一个事后分析或后验概率的实例——也就是对已发生的事件进行重要性评估。这是一个变化莫测的领域，在这里，统计学家知道自己要步步小心，因为罕见和常见的事件一旦发生就无法进行区分。这种谨慎的态度对于那些没有或者少有先例的现象更是特别重要。仅仅是生命现象真的在地球上出现了这件事情本身并不能说明生命在其他地方出现的可能性有多大。 当那年春天我在花园挖土的时候，我知道在这个世界的其他地方有其他球茎存在。但是直到最近，我们才确知有没有其他行星系统存在，才知道这些行星系统有多少，知道潜在的“可居住”行星是什么。当然，我们有我们的怀疑，这些怀疑有的科学，有的不科学；但是不管怎样，都没有确凿的证据。现在，这种僵局已经以一种最戏剧性的方式被打破，其意义是非凡的，个中原因你可能并没有想到。 * * *自从古希腊的原子论出现和唯我论的世界观被哥白尼颠覆以来，我们一直被多元化世界的概念玩弄着；所谓多元化世界就是说宇宙中满是行星，而行星上面可能有东西。但除了少数几次是因为出师不利，天文学探索一直都很难找到其他世界，即使在离我们的太阳最近的一些恒星周围也没能找到。当说到行星的时候，我们周围的宇宙就是一片巨大的不毛之地，像我童年的花园一样平淡无奇。 事情在20世纪90年代初开始发生变化。首先是确认了有一个行星大小的物体在环绕着一颗遥远的脉冲星——一种古老超新星遗留下来的、快速旋转、密度超大的恒星核残骸。脉冲星往往会按照惊人的规律向宇宙中发射出它们的脉冲辐射，但是这颗脉冲星的脉冲呈现出细小的变化，这种微小而可以实时追踪的变化反映出的是行星样物体对于脉冲星的引力拖拽。这就好比是数千年前恒星爆炸死亡后留下的僵尸残骸现在重新聚合成了一个完整的世界。这个意外而奇怪的发现就是对以后将要发生的事情的第一个提示。短短几年后的1995年，一颗巨大的行星被人们发现，它的运行轨道环绕着一颗普通的类似太阳的恒星，这颗恒星被称为飞马座51。这次测量是光谱探测领域的一次壮举，它记录到了恒星由于受到一个不可见世界的引力作用而产生的精细多普勒频移。 这些新的行星，再加上紧随其后的那些行星，（对我们而言）是完全陌生的。伴随着飞马座51的行星有木星的一半大，每4.2个地球日绕行一周，轨道远小于我们星系中的水星。接下来两颗行星是在其他恒星周围发现的，分别是室女座70b和天鹅座16Bb，它们进一步打破了任何关于太阳系结构的美好理论。它们那极为椭圆的轨道使得它们在自己的母星周围疯狂地甩过来又甩出去。尽管对这些“太阳系外”行星的丰度构建统计模型还为时过早，但是这样的兆头已经有了：宇宙中的世界是极其多种多样的。 自那时以来，我们已知的行星数量已经增加到超过几十个、几百个，现在已几近上千个——这一数量有可能更多，取决于我们对于探测方法（主要是间接方法）的自信度。这些方法包括我们在恒星围绕系统质心摆动过程中看到的多普勒光谱色调的细微变化（译者：也就是视向速度法）；或者是当行星越过其母恒星与地球之间时，恒星亮度的极小下降（译者：也就是凌日法），我们看到的亮度变暗也许会微小到百分之0.003；又甚或是一个远处发光的恒星背景每个小时的变化，其变化来源于前景恒星及其行星对于背景光线造成的引力偏折，这种偏折会聚焦并照亮周围的视野（译者：也就是重力微透镜法）。这些可笑而困难的测量方法已经成为了用超精密机械技术进行行星探测过程中的最尖端部分。 事实上，在扩展我们手中其他世界的名录过程中，最大的障碍与我们的设备无关，更多的是与恒星天体物理学本身一团乱麻的现象有关。恒星可见表面上等离子体的上下翻涌造成了测量误差和统计噪声，这些可以掩盖周围行星（对恒星产生）的微妙影响。尤其是那些像地球一样的行星，它自身的存在仅仅造成我们的太阳产生每秒9厘米的运动。寻找行星就好比是要在周围都是飓风肆虐的时候，找出一只鸟在拍打翅膀时对麦田造成的轻微波动。 尽管有这些局限性，我们现在也知道了行星大小和轨道结构有着巨大的多样性。例如，种类最多的行星似乎大小介于跟地球差不多大到比地球大几倍之间。鉴于我们没有深入审视那群小得多的天体，这一统计结果现在还是成立的。这个统计结果中潜藏着一种哥白尼式的惊讶：它意味着我们的太阳系中没有能够代表大多数行星的星球。（译者：即我们居然不是中心，而是边缘的非主流！）
许多系外行星的轨道也要比环绕我们太阳的行星轨道更加椭圆。更令人费解的是，赢得了“行星形成默认模式”称号的最常见的轨道结构是那种排列紧密地世界，其轨道只需几天或者几周就可以绕行它们的恒星一周。现在看来，这些好比是我们星系压缩版的系统要远比我们自己的星系更为正规。但如果我们是不正规的，我们是什么呢？这个问题我们现在还不能回答，因为我们对于恒星和行星普查仍是极其不完整的。 然而，我们可以用这些丰富的数据做一些事情。我们可以从我们已经找到的世界出发，统计推断出我们还没看到的世界。虽然这些不同的行星探测技术有着不同的偏见和系统性的影响，但我们正在排查这些问题，而一幅前后一致的画面正开始显现，其中描绘出了非同寻常的宇宙财富。 * * *究竟行星有多少？这是一个相当活跃的研究领域，以至于可能很难说去引用哪项研究；因此我就简单选出其中一个时间较近并较具代表性的例子，其研究成果与美国航空航天局的开普勒任务挂钩。所谓开普勒任务是一个耐心监视着银河远处一块区域中约140000颗恒星的望远镜，它搜索着恒星亮度在蚊子一样的行星越过其表面时造成的微弱下降。 这项研究的作者是哈佛大学的天文学家考特妮·德雷辛和大卫·沙博诺，于2013年2月发表在《天体物理学杂志》上，研究的重点是比我们太阳小的恒星。不仅是行星越过小恒星时更容易被发现，而且小恒星要比大恒星多得多。这些被称为红矮星和橙矮星的恒星（译者：这是按照光谱进行的分类，分别标记为M和K），质量从太阳的一半到太阳的十分之一不等，而在我们的星系附近，它们的数量比太阳大小的恒星数量多出12倍。换句话说，在我们的银河系中，它们代表了所有恒星的75%，这是一个开展群体统计的极好集团。从我们现有的数据上看，似乎宽度是地球一半到比地球大四倍的行星环绕着这些小太阳中的90%，其轨道周期为50个地球日或者更少。当然，个头更大的行星和轨道更大的行星也会有很多。说到大小类似地球、轨道围绕这些恒星的距离使得星球表面有可能温和（能够维持住生命源泉——液态水），对于这种行星的数量估计不同研究有所不同，但是得到的结果大约是7个星系中有一个。考虑到这些小恒星在我们周围的密度，距离地球16光年内有这样一个潜在的温和世界的概率为95%。在我们的银河系中大概可能有230亿颗恒星，每一颗都可能有一个地球大小的行星，其温度适合生存。 230亿上下差不了多少，这一估计与其他研究相吻合。一些研究得到，类似地球大小的行星数量接近至170亿，轨道结构都不相同。其他研究认为这一数字要减低到60亿左右，但这些只是接近地球大小的行星。如果我们的范围扩展到大一点儿的世界，扩大到现在被称为“超级地球”的地方，我们又会回到数百亿的数量级。无论你怎么切分宇宙蛋糕，你最终会得到一大堆我们乐于前往探索的行星，甚至也许会登陆其上，轻手轻脚地四处转转。这些都是令人心花怒放的巨大数字。宇宙造出了大量温和的行星。
那么，这些对于我们意味着什么呢？对于我们关于自己在宇宙中所处位置的困惑又意味着什么呢？这无疑告诉了我们，地球可能就是宇宙中许多其他行星中的一员，至少有着某些共同的属性。但感觉上它应该有着更多意味。难道它对于我们关于其他地方是否有其他生命的问题没有什么意义吗？它确实意味着一些事，但并不像我们一开始所设想的那样。 * * *从古希腊原子论的时候开始，对于自然界其他地方或者其他世界的完满性甚至是无穷性的想法就一直有着相当大的诱惑力。（译者：指古希腊的完满原则——principle of plenitude——和无穷宇宙观。通俗地说，古希腊哲学认为宇宙是无穷的，无穷宇宙中有着无穷多个世界；同时一切有可能的事情都会发生，即使我们并未看到，但在自然界的其他地方或者是所谓无穷世界的另一个世界中也会发生。）据说两千多年前，哲学家德谟克利特曾写道：
这里的“世界”其实是指宇宙——一种从概念上和隐喻上构造出来的其他自然场所。但是，像这样的想法启发了后来诸如伊壁鸠鲁和他的追随者等其他原子论者，让他们可以接受更真实的多元化模型：所谓无数多地方的概念更接近于真实的行星和类似地球的环境，所有这些地方都存在于一个无限的空间之中。当然，不是每个人都买账。其他地方有一个新地球存在的观点受到了伟大的地心说卫士亚里士多德的强烈反对。 但是，当16世纪中叶哥白尼发表了他那去地球中心化的大胆宇宙观后，新的一代开始好奇，宇宙有没有可能充满了像我们这样的行星。在罗马，身为牧师、哲学家和科学家的布鲁诺因为异端思想于1600年被烧死在了火刑柱上。他的异端行动包括了他对于“星星就是太阳和它自己的行星”这种想法的大力推广。不久之后，法国博学家伯纳德·勒·博维尔·德·丰特奈尔在一本颇具影响力的著作《关于多元世界的对话》中深入思考了这种可能性，即所有星星都藏有跟我们太阳系类似的世界。渐渐的，这些想法使宇宙变得越来越大，而我们在其中所处的位置越来越小。 伏尔泰也有所行动。在他的讽刺著作《微型巨人》（1752）中，来自天狼星和土星的巨大生物对于小小的地球和上面微小的居民感到困惑，他们惊讶地发现人类居然有智慧。但是，当这些高级生物留给人类一本据说可以解释存在意义的书的时候，人们发现书中只有一页页空白。 宇宙中充满了行星的这种想法从各种知识领域中都拉拢来了支持者。自然哲学家克里斯蒂安·惠更斯就是一位热衷于这一想法的人，天文学家威廉·赫歇尔接受了它，而诗人亚历山大·蒲柏也接受了这种想法，他在1734年写道：
所有这些多元性的梦想有着一个显着的共性。它们都有一个未受争议的假设，那就是行星或者类植物环境等同于生命，反之亦然。事实上，看到过去的思想家很少将有行星存在和行星上有生命存在这两者区分开，这相当令人惊讶。 但是在今天，天文学家总是担心一个世界大小是否合适，组成成分是否正确，另外是否处在“可居住区”——恒星周围允许液态水存在的区域。我们不会想当然地认为行星上就必定有什么东西居住。相反地，天文学家和像我这样的天体生物学家会把自己的时间花在搞清楚有没有什么行星具备适宜生命存在的特征。
尽管有着所有这些科学上的谨慎，但我们还是满怀希望的思想家。我们仍然希望能够找到生命。和我的许多同事一样，我有好几次屈服于行星等于生命那诱人的观点。但是，我们和过去多元论拥护者的关键区别在于，我们有着他们从未拥有过的信息。实际上，我们知道行星是很多的，这不再是原子论者的想象了。然而，行星的丰度本身实际上对于宇宙其他地方有生命存在的概率影响非常小。 它反而是从根本上改变了这个问题本身的性质，而这又接着引出了一个更加深刻而又令人惊讶的事实。要想了解它，让我们回到我在春天花园中那个孤独球茎的故事上，并把它代入宇宙的境界中。 * * *花点儿时间试想一下另外一种情况。设想我们发现太阳是银河系中唯一带有行星的恒星。如果是这样，那么我们实际上能从中得到有关自然发生（即自发产生生命）概率的什么信息呢？人们很容易认为我们的存在将有力地证明，只要有一颗行星，生命就极有可能存在。如果不是这样，那么这唯一存在的行星系统中有生命的可能性就似乎太奇妙了。 但这是事后分析，可能会产生误导。这个假想的唯一地球上有生命存在的事实并不能告诉我们生命的存在是有可能还是极其不可能，因为如果我们没有在这个星球上出现，就压根儿不可能问出这个问题。（译者：所以我们就是下文提到的“事后观察者”。）无论我们是十亿分之一，还是一台可以预测的创生机器的产物（译者：即指非偶然、非罕见事件。），结果在事后的观察者看来是一样。这就好像是童年的我，因为很快在一大片未经开垦的土地的一隅找到了一颗球茎，于是就燃起了希望。（译者：换言之，实际上只是我的“事后”结果很幸运——就跟进入一片满是球茎的土地一样，能够迅速碰到第一颗球茎。） 当然，这种论述也并不完全公平合理。在真实的宇宙中，有件事透露出了那么一丁点儿信息，那就是微生物似乎在地球上出现的时间很早，在我们的星球积聚而成几亿年后就出现了。这一事实的确似乎告诉了我们一些生命如何在宇宙中出现的信息，但作为一个单一的数据点，它对于自然发生速率大小范围的确定没有什么有意义的贡献。生命的突现仍然可以很常见或者很罕见——我们不知道是哪种情形，因为在任何一种情况下，我们都将会在这里提出这个问题。 但是，如果我们在这个假想的宇宙中发现了第二颗绕着其他恒星的行星，它有潜在的可能孕育生命，那又会怎样呢？再假设我们能够探测在另外那个世界上是否有生命存在。无论探测的结果是有还是没有，我们都能极大地提升自己对于自然发生频率的认识。我们在这个假想宇宙中发现的宜居行星越多，对宜居行星的探索就越多，从而就能建立并完善出一个生命可能性的数学模型。
现在，让我把大家带回到这个（真实的）宇宙和我们的银河系来，在我们的银河系中满是温和的行星——有数百亿之多。所有这些行星告诉了我们什么？它们没有告诉我们生命有多么常见，但是给了我们一个找出答案的机会。如果我们生活的宇宙中只有少数几颗行星，哪怕不考虑推算的精度，我们也永远无法推断出自然发生的真正概率，即使所有那些星球都有生命存在——就像多元论的早期拥护者想象的那样——也无济于事。我们可能永远都不会如此幸运地在可探索范围内找到那样一个有生命的世界，所有那样的世界可能都将淹没在银河系的星球汪洋之中。几十亿行星的存在给了我们一个写下方程式的机会，一个确定可居住性和实际被居住关系的机会，而且这可能还会产生更大的影响。 * * *在过去一个世纪中，科学家们已经注意到了我们宇宙的许多根本物理特性——从引力的强度到确定原子结构的基本常数值，所有这些特性似乎都与生命存在的必要条件相吻和。如果改变其中一些常量，那么就不会有太阳这样的恒星，不会有构成我们复杂分子的碳这样的重元素，也不会有其他种种。 当然，很显然如果事情不是现在这样，那么我们也压根儿不会在这里。从这个意义上说，这种貌似为了适于生命存在而对宇宙进行的“规则化”仅仅是一种选择效应，一种由于我们一开始的存在而产生的不可避免的偏见。如果你假定我们的宇宙是唯一的宇宙，是曾经存在过的唯一的现实，那么这种“规则化”的性质就尤为神秘了。为什么一个一次性的宇宙非要为了我们生命中卑贱的小分子而接受某种规则？这样一个棘手的问题可能会招来各种有趣、时而又有些疯狂的诠释。但基本的物理学和宇宙学可能会对这个秘密有所回答。 自从美国哲学家和心理学家威廉·詹姆斯1895年第一次创造出“多元宇宙”这个术语，已经有越来越充分的理由认为，我们的宇宙实际上只是许多宇宙中的一个，是时空间某个地方的一个多元宇宙的一部分，在空间、时间或者维度上被分隔开来。一些理论框架认为，有可能有10的10次方到16次方个不同的宇宙。事实上，我们对宇宙的研究表明，量子物理的真空充斥着我们的宇宙，空间膨胀的可怕能量炸出了我们占据着的这种空间。这套量子物理理论和这股能量也非常适合创生出所有其他那些宇宙。我们甚至有一个机会通过天体物理学的测量来验证这一结论。如果这个理论站得住脚，那么我们“规则化”的宇宙将不再神秘；它将仅仅是一个更大的多元宇宙的一部分，仅仅是结果适于生命的那一部分。 我们这个富有行星的宇宙的特别之处在于，它的规则既是为了生命的存在，也是为了找出生命的意义。如果我们回到我们那个只有一个行星系统的假想宇宙中，我们将无法得知生命出现的频率是多少。我们生活的这个宇宙让我们能够对自身的意义进行一些衡量。在我们目前对于生命或者宇宙本质理解中，没有什么可以说明生命的存在是绝对必要的，但在这里，我们有了一次机会。 我们最终能否解决这个难题还不清楚。首先，我们需要建立自然发生的方程，我们必须在天体物理的尘埃中深入挖掘，找到宇宙中可能存在生命的地方，可以说是跟随着大自然的痕迹。策略很直接：找出更多可能与地球有些许共性的世界，在星球表面搜索生命存在的化学印记。这不是件易事，但与20年前不同，我们现在知道我们有一个星系那么多的行星要探索，而且我们知道，只要我们坚持下去，方程最终会映入眼帘。 从一个非常现实的意义上说，这项工作的可行性已经改变了我们的宇宙。这并不是因为它告诉了我们什么其他生命的定量新信息，而是因为它将我们评价自身意义、评估自身宇宙孤独感的任务提高到一个全新的层面。我们宇宙的基本属性不仅与生命的需要调合一致，而且还保证了我们的求索也会成功，这些求索包括发现生命出现频率、发现生命起源、或许还有发现这种调和本身的起因。事情并不是非要这样不可。如果你充分思考一下这句话，你就会意识到，阿尔伯特·爱因斯坦说的是对的：“宇宙间最不可理解的事情就是它是可以被理解的。”
迦勒·沙尔夫
2013年6月25日发表 迦勒·沙尔夫是纽约哥伦比亚大学的天体生物学中心主任。他的著作《太阳系外行星和天体生物学》（2009年）获得了钱布利斯天文学写作奖。 |
|
|
