在银河系中有多少潜在文明可以与我们交流?

subtitle 量子科学论 2019-11-08 16:49 跟贴 4 条

如果宇宙中到处都是外星人……那么它们都在哪里呢?”——史蒂芬·韦伯

虽然人类总是喜欢以自我为中心,但是我们现在不得不接受一个事实,地球只是众多围绕太阳运行的行星之一。怎么说,我们确实也很特别,因为地球是太阳系中唯一一个拥有先进、繁荣、智慧生命的星球。我们仰望天空,看到的每一个光点都有可能是类地行星,甚至是生命、智慧生命的摇篮。

有趣的问题「大家都在哪?」

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仅在银河系中,就有数千亿颗恒星(上面是红外波段下的银河系),以及围绕这些恒星运行的数万亿颗行星,光银河系有很多很多机会让生命进化得和地球上的一样。而且宇宙中至少有2000亿个星系,我们真的无法理解,人类是宇宙中唯一有自我意识、有智慧、有感知能力的生命形式。

这篇文章我们要说的问题是「大家在哪里?」,看似普通的一句话,其实是现代科学中最著名的谜题之一「费米悖论。」如果宇宙这么有利于生命的存在,如果仅在我们的星系中就有如此多的机会可能存在生命,那么为什么没有任何外星生命的证据呢?

此外,为什么我们还没有被一些外星智慧生命造访呢?因为考虑到我们的宇宙已经有将近140亿年的历史,而我们的星系本身只有10万光年这么大,难道所有可能适合生命居住的行星现在不都应该被访问和殖民吗?

事实上,这一个悖论的观点是建立在一套默认的假设之上:如我们所理解的那样,智慧生命在这个宇宙中是一个相对普遍的现象。如果一个星球上出现智慧生命的几率是百万分之一,那么仅在我们的银河系中就肯定有数百万的智慧物种。但如果几率更低呢?比如说:远低于一万亿分之一呢?

那么,在我们这个孤立的星系中找到另一种生命形式的可能性就小得令人难以置信。这就引出来一个问题:据我们所知,到目前为止,宇宙中就只有我们人类的存在,这一事实真的有什么自相矛盾的地方吗?

在宇宙中生命的摇篮十分普遍

这是地球,我们美丽、可爱的家园。到目前为止,这是我们所知的宇宙中唯一一个有生命或曾经有过生命存在的地方,这里的生命智慧、有感知、有自我意识,而且(可能)能够与外星生命交流。

我们假设,如果存在有智慧的外星生物,它们将由与我们相同的化学元素组成。我们这样认为,并不是因为这种方式是宇宙存储复杂信息的唯一方式,也不是因为我们认为宇宙中其他任何形成生命的方法都是不可行的,而是因为这是我们唯一能够理解的方式。在科学上,我们倾向于保守的估计,喜欢依赖于已经存在的事实,即我们目前只知道一种智慧生命产生的方式。就是我们的方式!

如果这种生命出现的方式在地球上有效,那么在其他地方也同样有效。除了需要正确的元素外(已经遍布整个银河系和宇宙),生命的存在需要的其他因素对宇宙来说其实很简单。

为了得到液态水,行星必须与太阳保持合适的距离。换句话说,我们需要的温度是一个特定的值,而这个值也是相对恒定的。如果太冷,一切都会冻结,如果太热,一切都会沸腾,太多的化学物质会自然变性,使复杂的生命难以维持。

和50年前弗兰克·德雷克(Frank Drake)思考这个问题并提出了他著名的方程式不同,50年德雷克对地外行星只是推测。而我们现在已经确切知道了有成千上万颗系外行星正在围绕着其他恒星运行!

以上就是开普勒发现的地外行星,如果按照这个比例,我们推算一下还没有看到的区域,据我们估计在银河系中应该有大约1 - 10万亿颗行星围绕着恒星运行,其中大约有400 - 800亿颗行星可能具备以下三种属性:

岩石行星,

温度与地球相似,

表面应该支持和能够维持液态水的存在!

这些岩石行星都在正确、合适的位置绕着母恒星运行!除此之外,这些行星还需要有正确的成分来创造复杂的生命。那些生命的基石呢?在这些岩石行星上存在的可能性有多大?

银河系包括宇宙中经历了很多代恒星的生死,因此元素周期表中的所有的元素在整个银河系中都以相当高的丰度存在。这些重元素而且被组装成了复杂的分子。

但是原子的组合正确吗?是否和我们的一样?在银河系中心的分子云人马座B,除了在星际空间中“存在”的水、糖、苯环和其他有机分子外,我们还发现了一些异常复杂的分子。

比如甲酸乙酯(左)和氰化正丙酯(右)!在我们测量过的每一个分子云,原行星盘和恒星喷流中都发现了复杂的化学分子。因此,仅在银河系中就存在着数百亿次形成生命的机会,而构建这些机会的积木宇宙都已经搭好了,不管怎么分析,我们都会像费米一样认为,在我们自己的星系中多次出现智慧生命的几率不可避免,而且很高。

但是有机分子和智能生命形式之间有很大的区别。仅在地球有机分子到生命就花了40亿年的时间和一系列我们意想不到的事件才诞生了我们。

那么需要发生的是什么,发生的概率是多少?让我们从保守的角度来分析下,看看我们会得到什么?

从有机分子到生命的估计

首先,我们需要从非生命中创造生命。这是一个伟大的壮举,也是所有的自然科学家面临的最大难题之一:生物起源问题。从某种程度上说,生命的起源就发生在我们身上,但可悲的是我们竟然不知道自己怎么来的!无论是在海洋、陆地还是在大气中,都是如此,这一点从我们的星球及其独特的生物多样性就可以得到证明。

但是到目前为止,我们还不能在实验室里从非生命中创造出生命。尽管我们在最近几十年已经取得了一些惊人的进展,但是现在我们还不能很肯定的说从非生命到生命的可能性有多大。就做一个乐观的估计:这可能发生在多达10% -25%的世界,这意味着银河系中就有多达200亿颗行星上可能存在生命。(包括我们太阳系的其他星球(过去和现在),如火星、木卫二、土卫六或土卫二。)

也有可能远低于这个数字。换句话说,如果我们一而再、再而三地进行地球形成生命的化学实验,是否需要几百次、几千次、甚至几百万次的机会才能让生命诞生一次呢?保守地说,我们假设这个几率是百万分之一,考虑到银河系中有400亿颗温度适宜的行星,这仍然意味着,在我们的星系中至少有4万颗行星上有生命的存在。

鉴于此,我们似乎很难理解宇宙中没有复杂、多样性的生命存在,它们经过数十亿年的进化足以发展出让我们自愧不如的文明。可以这么说,一旦生命出现在了一颗行星上,除了发生行星火山大喷发、行星碰撞、或母恒星生命终结,那么这些生命就不会灭绝。在地球的历史上,我们也经历了许多灾难,但生命不仅存活了下来,而且这些灾难新开辟的生态位似乎只会加速更复杂、更分化的生物进化。

从低等生命到高等智慧生命的估计

我们想找的远不止上图中这些简单的生命;我们正在寻找大型、专业、多细胞、会使用工具的生物。具体来说,就是一种可以与我们交流的智慧生物!

智慧生物这种情况的出现有多普遍?从第一个自我复制的有机分子,到像人类一样特殊和分化的物种,我们知道这需要一个行星数十亿年保持大致恒定的温度,生命正确的进化步骤,以及大量的运气成分。发生这种事的可能性有多大?一百分之一吗?乐观地说:也许吧!

但这个几率可能会低很多;与其说人类是进化的必然结果,不如说我们是进化的意外。即使是百万分之一的几率,似乎也有点过于乐观了,因为在一个类似地球的世界里,出现类似人类的高等生物进化,可能需要10亿个地球(或更多)才能把人类造出来一次。

如果我们想找到智慧生物,我们就需要外星物种以一种特殊的方式向宇宙释放一个足够强大的信号,这些信号能够在宇宙微波背景之上被探测到。这些信号可能是在无线电的波段里也可能是在另一种波段的电磁波里,或者人家完全是通过另一种方法传播信号。因此这就需要一点点运气了,因为两个文明(发送信号的文明和接收信号的文明)都需要采用同样的方法来寻找对方。

当然,除非有些文明中的一个已经掌握了星际旅行,它们来只是为了向另一个文明说声“你好”。

如果我们以乐观的估计来看待上述的分析,那么仅在我们的星系中,也许就有2亿个世界能够与我们交流。但是,如果我们对生命的出现和智慧生物的进化几率做出悲观的估计,那么我们的银河系拥文明的几率只有2.5万分之一。

因为就我们人类而言,我们并不会永远存在。那么另一个世界上的智慧生命也是如此。无论是核战争、自然灾害,还是我们对环境的缓慢毒害,在未来某一时刻,地球上都将不再有人类。我们的恒星一生中有百分之几的时间是人类存在的?或者说,在宇宙历史上可能存在的所有文明中,现在有外星生命与我们交流的可能性有多大?

我们的宇宙已经存在了大约138亿年,而我们有能力搜索银河系的其他生命,向宇宙传输信号,离开地球进入太空的时间还不到100年。人类以目前的进化形式在地球上只存在了10万年多一点,也就是宇宙历史的0.001%。乐观地说,也许在我们进化成完全不同的模样或毁灭之前,人类在地球上可能会繁荣数百万年。

根据数百万年的估计和我们之前的乐观数字,这意味着在银河系中可能有多达20000个文明随时准备与我们交流。但是采用悲观估计呢?今天,在整个宇宙的所有星系中,只有大约10%的可能性存在一个类似地球的世界,上面有我们人类这样的智慧物种。

大家都在哪?

不论是乐观估计还是悲观估计,宇宙中都不会只有我们人类自己,就算我们人类现在没有能力去寻找其他智慧生命,那为什么它们没有来找我们?大家都去了哪里?如果它们真的存在,只能说明它们真的离我们很遥远了。宇宙巨大的空间阻碍了文明之间发生接触。

正如卡尔·萨根所说:

我想如果宇宙中只有我们……看起来有点浪费空间。

如果宇宙中真的没有其他生命,也许只有人类才能改变这一点,并在其他星球上孕育生命、播种生命。如果宇宙中还有其他人,那么它们在哪?

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