【原】宇宙中的生命

别处的世界：宇宙中的生命

象哥伦布一样，我们能够肯定的唯一一件事情，就是在我们的海岸之外一定有点什么东西。

——斯通，物理学家

生命已经在地球上发展起来了，这是一个确凿无疑的事实。一个很自然的问题就是，生命在宇宙中别的地方是否也有可能发展起来呢？

火星的运河：斯基帕雷利和他绘制的火星地图。

对这个问题的兴趣的历史很长，可以追朔到两千多年前的古希腊时期。不过，一直到19世纪，才真正从科学的意义上对这个问题进行探讨。当时，意大利(那是伽利略的故乡)的一位天文学家斯基帕雷利(Giovanni Virginio Schiaparelli, 1835~1910)通过望远镜发现，火星上布满了纵横交错的条纹(canali，意大利语)。不过，当这些报告被翻译成英文时，却被误译作“运河” (canals)。翻译上的这个错误竟然戏剧性地引起了人们对火星的兴趣，展开了近一个世纪的寻找火星人的热潮。在经过了长达一个世纪的火星生命的探索之后，直到20世纪70年代美国的火星探测计划为止，所得到的结果并不那么令人乐观。

火星生命的线索：电子显微镜下的南极陨石，据信来自火星。

1984年，在地球的南极找到了一些据信来自火星的陨石，因为这些陨石的内部气泡的气体成分与火星的大气的成分很相似。当陨石高速冲入大气层时，会与地球的大气发生摩擦而产生高温，导致陨石的表层熔化。当这些表层处于熔化状态的陨石掉落到地面上时，这层熔化的物质冷却后就会凝固成一层坚固而密封的保护层，使陨石内部免受地表演化的影响。因此，陨石内部携带着它们掉落到地面之前所处环境的信息。1996年，美国的科学家对其中一块陨石做了分析，结果显示，它的内部含有某种与生命可能有联系的有机分子。一种观点认为，这可能是36亿年前生活在火星上的原始生命的微化石。尽管如此，要确证火星上曾经有过生命，需要更强有力的证据。

南极陨石中的微化石：这些可能的化石中最长的约1/10微米，小于一根头发的直径的1/1000。

在太阳系中，除了火星之外，可能有利于生命诞生的地方还有木星的第二颗卫星和土星的第六颗卫星。

木星的第二颗卫星，简称木卫二，天文学家给它起名叫欧罗巴。木星的这颗第四大卫星体积比月球小一点，密度和月球差不多，表面极光滑，从望远镜中看是一颗非常明亮的天体。研究显示，木卫二的表面上布满纵横交错、密如蛛网的明暗条纹，这些条纹很可能是该星球表面覆盖的一层厚厚的冰层上的裂缝。在木卫二的冰层下面是一层50千米厚的海洋，研究表明，海水可能含有盐分。因此，欧罗巴的海洋很可能是一个支持生命发生与成长的地方。

欧罗巴：木星的第二颗卫星。

土星的第六颗卫星，也是土星卫星中最大的一颗卫星，天文学家给它起名为泰坦，简称土卫六。土卫六是太阳系所有卫星中唯一有大气存在的天体，大气层厚度约2700千米，氮的占比约98％，甲烷和碳氢化合物各占1％，与早期地球的大气组成非常相似。

土卫六：一颗与早期地球相似的星球

由探测器提供的资料推断，土卫六是一个奇异的世界，黑暗寒冷的表面，美丽的甲烷海洋，与地球早期生命起源的情况相似的条件，暗红的天空偶尔洒下由碳氢化合物构成的雨，星球的表面可能存在有机物堆积。这是人类了解生命起源和各种化学反应的理想场所，对它的研究有助于人类了解地球诞生初期的情况，揭开地球上生命起源之谜。

土卫六上的甲烷海洋

经过多年的探索，到目前为止，没有任何明确的证据显示太阳系内其他的行星和卫星上曾经或者正在产生生命。

太阳系以外的世界怎样呢？通过天文观测，天文学家在遥远的恒星际空间，那是宇宙中最寒冷的区域，发现了100多种有机分子，包括那些用来构成生命的分子。在通常的观念中，复杂化合物只能在较高温度的环境中形成，存在星际有机分子的事实对这个观念提出了质疑，它显示，需要构建新的星际化学体系。发现星际有机分子使外星生命存在的可能性大大增加，不过，这些星际有机分子顶多是最简单的分子，离生命还远着呢。因此，到目前为止，仍然没有任何迹象显示太阳系之外的某处存在生命。

星际有机分子

既然我们在地球之外还未找到存在生命的任何证据，那么，让我们把这个问题暂时放下，先来探讨一下在地球之外存在生命的可能性。在宇宙中别的地方，生命是否有可能发展起来？对于这个问题，我们只能从很不完备的证据出发进行推测。我们将探讨以下几种可能性：存在与地球相像的行星的可能性有多大？在地球型的行星上会有多大的机会出现生命？生命出现之后，进一步演化出智能的可能性有多大？智能生命最终一定会发展出电磁波通信技术吗？技术型的文明有相互接触的可能性吗？技术型文明能够持续一段很长的时间吗？

为了方便起见，我们将把讨论的范围局限在银河系。不难理解，所得到的结论完全可以推广到整个宇宙。在我们的银河系中，大约有4000亿颗恒星，在这满天繁星中，有多少个星球上面存在生命呢？对这个数字做一个初步的估算是相当引人入胜的。

这个数字肯定与每年有多少新的恒星形成有关。天文学家对太空深处做过深入的观测，所得到的结果是，在银河系中，每年有大约5到20颗新生的恒星，让我们取一个大一点的数字20，并用R 代表这个数字；然而，并不是所有新生的恒星最终都能够形成行星系。由多个恒星组成的系统，其内部各点的万有引力极不稳定，行星不可能在这样的环境中形成。因此，只有那些单独存在的恒星才有可能最终产生自己的行星系。天文观测显示，在太阳附近的恒星中，大约有一半是单星。将这个观测结果推广到整个银河系，得到单星的比例大约等于0.5，我们用s标记这个数字。因此，在银河系中，每年有大约R×s=10颗单独的恒星诞生。

即使一颗恒星带有自己的行星，如果这颗恒星的质量太大，那么，在它的行星上也不可能出现生命，因为这样的恒星寿命太短，生命没有足够的时间形成和发展；如果这颗恒星的质量太小，那么，为了获得生命诞生所必须的能量，它的行星必须离开这颗恒星足够近。但是，在这种情况下，强大的万有引力会使行星永远以同一面对着它的太阳，于是，行星的两个半球将永远处于干热和冰冻的状态，无法为生命的诞生提供必须的合适的大气和液态的水。因此，我们只考虑质量与太阳相当的恒星。天文学家估计，在银河系中，质量与太阳相当的恒星大约有10%，用S标记这个数字。于是，在银河系中，每年有大约R×s×S=1颗太阳型的恒星诞生。如果在这样的恒星上有一颗行星，像我们的地球一样，处于一个得天独厚的位置上，那么，它所得到的光和热就不多不少，刚好够生命的诞生与成长所用。

是否每一颗这样的恒星都必然有自己的行星系呢？从物理规律这个层次上看，一个合理而乐观的估计是，几乎所有太阳型的恒星都会最终拥有自己的行星。也有人不同意这个看法，他们认为，如果形成行星所必需的重元素缺失，就不可能形成行星系统。因此，只有大约10%的太阳型的恒星拥有自己的行星，用p标记这个数字。这个数字有多大，需要大量的天文观测数据才能给出最终的结论。恒星离开我们都很远，那上面是否有行星是不可能直接观测到的，天文学家是如何确定一颗恒星上有行星存在呢？所使用的方法在原理上都很简单。比如说，由于恒星与行星之间的相互作用会使恒星做微小的晃动，这种晃动可能会导致恒星在视线方向有运动，从而由于多普勒效应使星光的波长发生变化；对于年轻的恒星，如果存在行星云盘，这个云盘就会拖慢恒星的自转速率。恒星的自转速率也可以通过星光的多普勒效应得到。天文观测显示，在年轻的太阳型恒星中，大约有一半显示出存在行星云盘的证据。

如果一个太阳型的恒星带有自己的行星系，那么，有多少颗行星上的条件与原始地球的条件相似呢？对太阳系的研究给出了这个比例的两种观点。乐观的估计认为，每一个太阳型恒星都带有至少一个类似于地球的行星；另一种不那么乐观的估计认为，这个数字只有10%。我们用e 表示存在地球型行星的可能性，这个数字是不可能通过天文观测直接得到的，它与我们所掌握的有关行星的探测资料、所使用的行星起源的模型有关。有了这个数字，就可以算出在银河系中，每年有大约R×s×S×p×e颗适合生命居住的行星诞生。由于p和e 这两个数字的数值有一个取值范围，因此，用这个公式将得到，在银河系中，平均每1年到100年将产生一颗适合生命居住的行星。

有了一颗与地球相似的行星，在那上面发展出生命的可能性有多大？对生命的起源这个问题的探讨使我们相信，在这方面地球并没有什么独特的地方。我们在前面已经看到，即使是在星际空间这样的恶劣的环境下也能产生有机分子。有理由相信，一个类似于原始地球的环境，只要有几亿年的时间，生命就可以发展起来，因此，生命发生的比例等于1；也有一些观点认为，由于周期性的灾变以及原材料不足，生命在地球型的行星上出现的比例只有大约10%。用l 表示生命发生的比例。把这个比例乘到上面给出的式子后面：R×s×S×p×e×l ，就可以得到，在银河系中，平均每1年到1000年将出现一颗带有生命的行星。

现在我们来估算在银河系中到底有多少个地方有可能存在生命。为了做出这个估算，我们还需要一个数字，即一个有生命的星球诞生后能够延续的时间LL。前面讲过，只有太阳型的恒星才有可能带有类似于地球的行星，这样的恒星的寿命长于100亿年。从地球上生命的发生和发展的经验看，太阳系诞生后约十几亿年，地球上出现了最原始的生命，它们一直演化了约40亿年。虽然在这期间曾经遇到过多次地质史上的大灾难，但是，到现在为止，生命的踪迹从未有间断过。看来，生命一旦发生，就会有顽强的发展的力量。因此，有信心认为，生命的踪迹可以一直延续到这个行星系毁灭为止。于是，有生命的星球诞生后能够延续的时间可以取100亿年。用每年新诞生的有生命的星球的数目乘这个时间，就可以得到当前有生命栖息的星球的数目：

NL=R×s×S×p×e×l×LL

利用上面讲到的各个数字的不同取值算出的结果是：一千万到一百亿。

如果生命已经在一个地球型的行星上发展起来了，那么，这些生命一定能够演化出智能吗？这是一个很难回答的问题，因为供我们对这种可能性进行估计的数据太少了。不过，如果我们确实相信自然选择和适者生存，如果智能确实是自然进化的一个必然结果，那么，几乎可以肯定，由生命演化出智能的可能性是100%。我们用i 表示这个数字。这就是说，在千千万万个物种中，必定有一个族类能够通过自然的进化，最终成为具有智能的生物。当然，作为证据，我们只有一个例子，那就是地球上的人类。于是，在银河系中，每年有大约R×s×S×p×e×l×i 颗具有智能的星球诞生，或者说，平均每1年到1000年将出现一颗具有智能的星球。也有人不赞成这个观点，认为智能的出现依赖于一系列可能性很小的事件。比如说，有这样的观点认为，如果没有2600万年前出现的生物大灭绝事件，恐龙家族可能至今还是地球上的主宰者，在这样的环境下，智能生命也许很难发展起来。因此，从生命演化出智能的可能性很低，只有，比如说，一百万分之一。如果对智能的出现做这样一个保守的估计，那么，在银河系中，平均每1百万年到10亿年将出现一颗具有智能的星球。

如果在一个星球上仅仅有生命和智能，但这些生命还没有发展出可以对外联络的技术，那么，它们的存在与否与我们没有任何关系，因为我们没有任何方法知道它们的存在。这里所谓的技术，是指能够发射和接收电磁波的技术。就目前来说，我们只知道唯一一种检测其他行星上的信息的方法，那就是检测由那些行星上发出的电磁波。因此，下一个需要知道的数字就是：智能生命发展出技术的可能性有多大。这不是一个容易回答的问题，它涉及社会、文化、政治、经济和科学等诸多方面的因素。几百万年前，人类就已经来到这个世界上。这个演化了几百万年的族类，在几百年前开始营造自己的科学时代。经过几百年的努力，终于在100年前发明了我们所需要的技术。在这个漫长的年代里，只要缺失任何一个环节，技术就不可能出现。因此，对于这个可能性，没有任何合乎逻辑的答案，也无法做出合乎情理的猜测。不过，为了使问题更加具体化，让我们把这个数字暂定为一万分之一，并用T 标记它。让我们对智能出现的可能性取乐观的态度，这样，在银河系中，每年就有大约R×s×S×p×e×l×i×T 颗具有技术的星球诞生，即平均每1万年到1000万年将出现一颗技术型的星球。

现在，我们来估算一个最重要的数字：在银河系中，平均说来，能够有多少个技术型的星球在同一时期存在。这个数字取决于技术型的文明到底能够延续多长的时间，或者说，技术型文明的寿命到底有多长，我们用LT表示这个数字。于是，在银河系中处于技术型智能阶段的星球的数目

NT=R×s×S×p×e×l×i×T×LT

技术型文明能够持续兴旺的时间到底有多长呢？这是一个比任何其他数字更难以估计的数字，因为我们仅仅有一百年的经验。因此，让我们暂时不去考虑这个数字，先来看一看，在银河系中同时存在两个以上有能力相互交流的文明需要一些什么条件。我们假定一个极端的情况，即一个技术型文明行将毁灭时，另一个技术型文明正好诞生，这等于说同时存在一个技术型星球，两个接踵而来的文明交错出现，刚好够得上相互接触。在这种极端的情况下，由上面的式子可以得到，LT 的取值范围从一万年到一千万年！技术型文明必须至少有这么长的寿命，才有可能相互交往。这就是说，如果技术文明能够持续一千万年以上，那么，在我们的星系中就有可能找到许多知音。

一个技术型的文明能够持续那么长的时间吗？20世纪中叶，哲学家罗素曾经就这个问题提出诘问：一个思想和技艺充塞着科学的社会，能够持续一段长时间(例如像古埃及持续那么长)吗？或者它内部必然有带来衰落或爆炸的力量？只要回顾人类的文明进程就不难理解这个诘问有多沉重。人类已经在地球上生活了很长一段时间了，直到最近，才出现强大的技术。然而，这样一个刚刚出现的发达的文明，在这样短的时间内就已经把自己的家园弄得千仓百孔，要开始收拾残局了。战争、饥荒、核威胁、空气污染、全球变暖、物种灭绝、全球臭氧枯竭以及疾病蔓延等问题接踵而来，而这一切都是在不到100年的时间内发生的。如果我们不能利用我们的科技解决这些问题，这样一个满目疮夷的文明，还能够延续多长一段时间呢？也许我们已经没救了，也许我们还有希望，未来到底会怎样，一切都掌握在我们自己手中。当然，一个技术型的文明应该能够持续至少100年，也许是200年，也许会更长一点。这是我们从自己的经验中得到的唯一确定的答案。

值得庆幸的是，我们现在已经意识到问题的严重性，并且开始进行补救了。如果每一个像我们这样的文明都能够在文明伊始就克服由于科技的发展而带来的自我毁灭的因素，他们就有可能持续相当长的时间，比如说一百万年。另一方面，即使一个文明由于某种原因毁灭了，但是，生命是顽强的，有些生命可能会幸存下来。这样，再经过一段较长时间的演化，新的一代智能生命将再次出现，并创造出一种新的文明。不难设想在10亿年内将会出现这样的文明的世代更迭，每一代文明将持续兴旺一百万年。如果确实如我们所设想的那样，如果每一代文明确实可以在文明诞生之初就消除掉自我毁灭的因素，从而可以持续兴旺一百万年，那么，在一颗恒星的寿命的期限内，它上面的技术型文明持续的总时间平均来说就有可能达到一千万年。如果我们对上面各种可能性的估计数值都取乐观的数字，就意味着有可能在本星系中寻找到许多知音。即使是取一个较为保守的数字，在银河系中至少也有一颗技术型的星球，它就是我们的地球！

在以上的讨论中，不管对各种可能性持怎样的态度，我们都能够得到这样的结论：在银河系中，肯定有无数个角落适合生命休养生息，生命遍布整个宇宙！这是我们在如此不确定的基础上所能希望得到的最佳结果。