我们孤独吗？


方舟子



　　地球之外是否有生命？是否有智能生物？是否有文明？早在两千多年前，古希腊的哲学家就已经在认真思考这些问题了。其中有一位如此写道：“在一片旷野中只有一株麦子，和在无限的宇宙中只有一个生命世界，都是不自然的。”当哥白尼发现了地球不是宇宙的中心后，这些问题又被再次提了出来。布鲁诺即认为，宇宙是无限的，到处都有生命世界。这种观念使他被处火刑。但以后一些的天文学家继续思考这个问题，比如惠更斯就写过论文说明外星人应该是什么样子。

　　这些当然都只是没有证据的哲学上的思考。直到1877年，意大利天文学家西亚帕拉里（Giovanni Schiaparelli）才似乎发现了证据：他从天文望远镜中看到了火星上有“河道”（canali）。河道一词被翻译成英语时变成了“运河”（canal），这个误译激励了美国商人劳威尔（Percival Lowell）投身火星观察，在亚利桑那州建了一个天文台。到十九、二十世纪之交，劳威尔已发现了数百条火星运河。他认为这些运河是火星人所开凿，而火星人能够一致合作从事如此巨大的全球性工程，表明他们的文明程度和技术水平都远胜于地球人。美国作家威尔斯（H.G.Wells）在1898年出版的科幻小说《世界大战》，描绘了火星人入侵地球的景象。从那以后，火星人做为外星人的代名词，融入了美国通俗文化。以后的天文学家们用分辨率更高的望远镜观察火星，劳威尔的“运河”便不再存在了，但是他们发现火星表面的暗度会发生季节性的变化，这会不会意味着火星上有按季节生长的大片植物？1965年美国太空探测器水手4号飞过火星，传回了22张照片，清楚地表明了火星就象月球一样，是一个布满陨石坑的荒凉、死寂的世界。1976年，另一个探测器海盗号在火星着陆，不仅没有找到任何生命的迹象，在火星的表层，连有机物的痕迹都未探测到。

　　至此关于火星有无生命的问题似乎有了结论了。直到1996年，美国航空航天局（NASA）的科学家宣布从一块在南极洲发现的、据信是在一万三千年前从火星飞来、年龄为45亿年的土豆大小的陨石中发现了火星在那时候存在微生物的四条证据。他们承认，这四条证据的每一条分开来看，都可以有非生物的解释，但合在一起，却强烈表明火星曾经有过微生物。尽管其他科学家大都不接受这样的结论，但这一发现经过媒体的渲染，却重新激发了探测火星的兴趣。这一年的年底，NASA连续发射了两颗火星探测器，传回的图像表明，火星表面上曾经有过河流、湖泊甚至海洋。这些图像经由互联网传遍了全世界，使得全球性“火星热”持续不退。地理证据表明，在38亿年前，火星要比现在更温暖、潮湿，大气层更厚，更适于生命生存。那么，有没有可能找到化石？甚至在火星的地下还有生命存在？以后的几年一系列的火星探测器将被发射去研究这些问题。预计到2010年，将会在火星上建立起全球定位系统和计算机网络。地球上的互联网用户将能够随时看到火星探测器连续不断地发回的录象。这样，我们就把互联网延伸到了地球之外，随时可以虚拟地访问火星了。

　　在太阳系的九大行星中，除了地球之外，火星是最适宜生命生存的。如果没能在火星上找到任何生命存在的迹象，那么别的大行星上就更无可能。但是太阳系还存在许多卫星值得考察。近年来越来越引起注意的是木星的卫星欧罗巴。这颗卫星覆盖着厚厚的冰层，冰层底下可能是深达100公里的海洋。新近在南极洲的冰下湖泊发现了微生物，使得人们更坚定了这种信念：只要有水，有有机物，有能量，就很可能有生命。宇宙中到处存在天然合成的有机物，包括氨基酸、核苷酸碱基等构成地球生命的分子，由陨石带到各个星球。能量也到处都可以找到，除了阳光之外，火山也能提供能量。所以最稀少也最关键的是水。欧罗巴上是否有海洋？是否有生命？预定在2003年发射的一颗探测器将试图回答这些问题。

　　如果能在火星或太阳系的其他地方发现生命，也一定是非常简单的微生物。地外文明只能在太阳系之外找，而按我们现在的技术水平，那是可望而不可及的，只能等他们主动来跟我们联系了。如果其他地方存在高度发达的文明，而他们又象我们一样好奇，热衷于寻找别的文明，他们会采取什么样的方式呢？大家马上想到的，可能是"乘飞碟寻访"。但是现实并不象幻想那么美妙。由于各个星球之间距离极为巨大，乘飞船漫无目的地漂游乃是一种极其昂贵、效率极低的选择。最为便宜、方便的是发射含有信息的无线电波。无线电将以光速传播，并可向各个方向发射。1960年开始，人类就开始监听从茫茫太空中传来的无线电，试图发现其中包含有智能信息，还因此无意中发现了脉冲星。但是这种监听面临着一个问题：宇宙中充满了各种天然形成的无线电波，地球上也存在着各种各样的人工无线电波（电台、电视、无线电通讯、雷达等等）的干扰。面对一架射电望远镜所收集到的巨额数据，研究人员只能限定在一定的频率范围内研究较强的信号。宇宙无线电的背景噪音的频率大多低于1千兆赫兹，而人工无线电噪音的频率大多高于10千兆赫兹，在两者之间是相对平静的频带。宇宙中含量最多的物质中性氢发射的无线电频率为1.42千兆赫兹，另一种物质羟基的发射频率为1.64千兆赫兹，二者刚好都位于平静频带。氢和羟基合起来变成水，所以1.42到1.64千兆赫兹之间的频带被称为"水孔"。如果水的确是生命的普遍基础，那么地外文明最有可能选择在"水孔"频带发射信号。目前寻找地外文明的项目都从"水孔"开始监听，以后再扩大监听范围。

　　但是如果地外文明离我们非常遥远，他们发来的信息可能就淹没在那些被忽视的微弱信号之中了。如果要进一步分析微弱信号，又不是任何一台计算机所能胜任的。有人想到，每时每刻世界上都有难以数计的个人计算机开着却无所事事，只是在运行花哨的屏幕保护程序，为什么不利用互联网把这些个人计算机联合起来组成一台超型计算机呢？事实上以前已有计算机爱好者通过并联运行的方式破译密码，也有许多数学爱好者用类似的方式寻找大素数。受此启发，加州大学伯克利分校的"寻找地外智能"研究组于1999年5月正式启动了“家中寻找地外智能”（SETI@home）项目。每天，他们将从世界上最大的直径305米的阿雷西伯（Arecibo）射电望远镜收集来的巨额数据拆散成无数小块，通过互联网送到加入这一项目的个人计算机。这些计算机在处于闲置状态时即以"屏幕保护程序"的方式自动对这些数据加以处理，处理完了又通过互联网送到伯克利，在那里汇总研究。用这种方式，可使分析工作的敏感度增加十倍。只要有一台能够上网的个人计算机就人人能够参与这个项目，对计算机的本职工作无影响，也不会大幅度增加联网的时间（只需在传输数据时联网，整个过程只有几分钟）。到现在，已有一百七十多万台计算机加入了这个项目，运行时间累积达到了二十万年，成了有史以来最大的一项计算机工程。公众对寻找地外文明的兴趣，显然是远远大于破译密码和寻找大素数的。但是，破译密码和寻找大素数能够有较为确切的结果，而寻找地外文明的结果极为渺茫。事实上，若我们能在有生之年发现任何存在地外文明的确切证据，是极为运气的。但是，如果我们不去找，那么运气也许永远不会降临。

　　这样的运气会有多大呢？在1950年，物理学家费米问道：理论上人类能够在一百万年以后飞行到银河系的各个星球，如果我们能，那么那些比我们早进化一百万年的外星人也应该能。那么为什么他们还没到地球来？他们究竟在哪里？费米的意思，是我们在银河系中很可能是孤独的。其实对这个所谓“费米悖论”很容易反驳：可能没有哪个文明能够在银河系各处殖民，可能我们离其他的文明都过于遥远，可能还没有哪个文明进化到能够在星际旅行的程度，可能已有外星人在很久以前访问过地球又走了，当然也有可能外星人正不为我们所知地观察着我们。1960年，美国天文学家德雷克（Frank Drake）试图定量地说明外星人存在的概率，提出了一个计算公式。这个"德雷克方程"本来只是开玩笑，没想到现在却被正儿八经地写入了天文学教科书。这个方程很简单，人人可以掌握：

　　　　 N = R * f(p) * n(e) * f(l) * f(i) * f(c) * L

　　其中N表示银河系中“通讯文明”（即能发射、监听星际通讯）的数目。右边各项为计算这一数目的参数，*为乘号。

　　第一个参数 R 为每年在银河系中形成的"适宜"恒星的数目。银河系每年都有新恒星诞生，有的适宜于生命生存，有的不能。太阳系刚好处于银河系的适宜带，既不在暴烈的河系中心，也不太靠近河系边缘（边缘地带的星云没有足够的重元素产生行星）。各位天文学家对此数目的估计分歧不大，在每年五到二十个之间。让我们乐观一点，设定R=20。这是唯一一个我们比较有把握的参数。后面的参数从左到右可靠性越来越低。

　　第二个参数f(p)表示 R 之中具有行星系统的比例。在形成恒星的过程中，星云不停地旋转、坍塌，速度越来越快，最后有两种可能的结局：或者形成两颗恒星即双星，或者只在中央形成一颗恒星，而周围形成了行星系统。一直到几年前，我们都不知道除了太阳系，宇宙之中是否还有别的行星系统。但近年来在太阳系之外我们已发现了至少二十几颗行星，而且这个数目还在不断增加。看来行星系统在银河系中普遍存在。让我们假定星云形成双星和行星系统的可能性相同，即f(p)=0.5。

　　第三个参数n(e)是一个行星系统中，处于“适宜带”的行星数目。行星要适于生命生存，不能太靠近恒星（太热），也不能太远离恒星（太冷），在两个极端之间有一个适宜带，只有在那里才能有水存在。显然在做此假设时，我们把水当做了生命的必要条件。并不能排除存在不依赖水的生命的可能性，但根据我们的化学知识，水是最适宜生命的。在太阳系中，处于适宜带的行星有三个：地球、金星和火星。让我们保守一点，将这个数目设为1：n(e)=1。

　　第四个参数f(l)表示处于适宜带的行星中实际产生了生命的比例。并不是任何处于适宜带的行星都能产生生命的，还跟行星的地质、地理条件有关系。在太阳系中，有三颗大行星处于适宜带，我们确切地知道地球有生命，金星无生命，火星可能有或曾经有过简单的生命。让我们保守一点，设定每五颗处于适宜带的大行星中，只有一颗能产生生命，即f(l)=0.2。

　　第五个参数f(i)表示在有生命的行星中，进化出智能生命的比例。这是一个分歧最大的问题。有的认为在地球上经过了三十几亿年的进化，在生存过的几十亿个物种中才有几种有智能，可见智能生命的产生极为罕见。也有的认为我们现在只知道一个生命世界，而它是有智能生命的，就我们所知，产生智能生命的可能性就可算是百分之百。对这个问题，我们不妨这么看：既然智能是一种很好的适应环境的方式，那么在自然选择的作用下，经过无数的试错，只要有足够的进化时间，从无数进化途径中出现一条通向智能，应该是必然的。当然，这并不是说存在一条通向智能生命的直线进化方向，而是说智能进化途径只是同时存在的许多进化途径中的一条，而且这一条也不是注定会产生人类（在其他条件下完全可能产生其他的智能生物）。有了这些说明，我们不妨把这个参数乐观地设为：f(i)=1。

　　第六个参数f(c)表示在智能生命中，能够发明星际通讯技术的比例。这个问题同样难以回答。在地球上，我们知道人类发明了这种技术。但是其他的智能生命，象猿、海豚、鲸，都没有技术。让我们再乐观一回，将这个参数设为f(c)=0.5。

　　我们先不管最后一个参数 L ，把以上的设定结果代入方程计算一下：

　　　N = 20 * 0.5 * 1 * 0.2 * 1 * 0.5 * L　 =　L

　　这是个有趣的结果：银河系中通讯文明的数目等于一个通讯文明平均能够生存的年数 L 。但是没有人能够知道这个 L 究竟会有多大，连估算都无法做到。如果我们按费米显然过于乐观的估计，每个通讯文明的平均寿命为一百多万年，那就意味着银河系中存在一百多万个通讯文明。听上去似乎数目巨大，但是，与银河系存在的大约四千亿颗恒星相比（象银河系这样的星系在宇宙中还有几十亿个！），这个数目就微不足道了。它表明通讯文明是非常稀少、分散的，难以有相互接触的机会。

　　没有任何理由认为一个通讯文明能够永世长存。宇宙中有许多外界因素能毁灭生命世界。比如，宇宙中最有威力的现象伽玛射线大爆发，就能使方圆几百光年内的生命灭绝，而我们每年能够观察到几百次这样的爆发。文明的高度发展也许有可能预测、防御这样的灾难，但是另一方面，却也能导致自我毁灭。我们人类也只是近五十年来才进入了通讯文明阶段，但是同时也拥有了完全毁灭自己的能力：且不说我们对自然生态的破坏和对环境的污染，光是现存的核武器储备，就足以毁灭整个地球几百次。如果我们要在宇宙中发现邻居，如果我们要让邻居们发现，关键是自己要生存下去，并尽可能地延长寿命。

2000.2.24.

（原载《科学时报》2000年3月，发表时有删节。收入方舟子著《进化新篇章》。该书即将由湖南教育出版社出版）