篩選星際文明（一）

趙洋

一、十萬星系不見生機(jī)

SETI計(jì)劃

半個(gè)多世紀(jì)以來，一些有著科幻頭腦、相信外星人存在的天文學(xué)家自發(fā)地組織起來，開展了一個(gè)名為“搜索地外智慧文明”（簡稱SETI）的天文觀測項(xiàng)目。SETI旨在尋找宇宙中的智慧文明。這些天文學(xué)家認(rèn)為地外智慧文明會利用無線電甚至激光脈沖與外界溝通，它們或許正在嘗試與其他星球上的文明取得聯(lián)系。遺憾的是，迄今SETI項(xiàng)目并未尋獲任何來自外星文明的信號。也許銀河系中遍布簡單生命體，但能與人類聊天的外星鄰居卻一個(gè)也沒發(fā)現(xiàn)。

最新的研究成果表明，不僅是銀河系內(nèi)，在更廣大的宇宙空間中，都可能只有人類這孤零零的一個(gè)智慧文明。一個(gè)由賓夕法尼亞州立大學(xué)的天文學(xué)家詹森·萊特領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在觀測了銀河系附近10萬個(gè)大質(zhì)量星系后，得出結(jié)論：沒有一個(gè)星系顯現(xiàn)出存在發(fā)達(dá)科技文明的跡象。研究結(jié)果發(fā)布在《天體物理學(xué)》雜志增刊上，這也是迄今為止囊括星系數(shù)量最多的一次觀測，類似的早期研究只涉及了100個(gè)星系。

在行星地球上，生命以微生物的形式誕生。然后，生命攀上演化階梯，有了更大的身軀，擁有了復(fù)雜的神經(jīng)系統(tǒng)，進(jìn)而構(gòu)建社會，最終擁有了前往其他行星甚至其他恒星的技術(shù)。既然這個(gè)過程能在地球上發(fā)生，那為什么不能在充滿各個(gè)星系的數(shù)十億個(gè)宜居行星上發(fā)生呢？

智慧生命一旦具備了進(jìn)入太空的能力，若以每秒60千米的速度飛行，大概在5000萬年內(nèi)就能穿越銀河系這樣的星系（直徑10萬光年）。5000萬年對于恒星和星系動輒數(shù)十億年的時(shí)間尺度而言，只是短短一瞬。我們完全有理由相信，在宇宙誕生后近140億年的漫長時(shí)光中，智慧生命早就把星系踏遍了。也許這些擁有航天能力的文明十分稀有且隔絕，但是只要有一個(gè)星際文明有意并且有能力對所在的星系進(jìn)行改造，人類就有機(jī)會看見它們。如果觀測的星系足夠多，我們理應(yīng)最終發(fā)現(xiàn)智慧加工的痕跡。然而，我們觀測的星系越來越多，卻只發(fā)現(xiàn)一切都是純天然，這非常讓人沮喪。

事實(shí)上，技術(shù)文明是比較容易被發(fā)現(xiàn)的。曾有兩位美國天體物理學(xué)家在迪拜旅游時(shí)受到城市夜色的啟發(fā)，提出了一個(gè)問題：用人類現(xiàn)有的望遠(yuǎn)鏡，究竟能在多遠(yuǎn)的另一顆星球上看到地球上的一座大型城市？

他們的計(jì)算結(jié)果是，以日本東京為例，地球上一個(gè)城市夜晚的燈光可以一直傳到太陽系的邊緣。這個(gè)距離大約是從地球到冥王星距離的30倍。二人繼而根據(jù)這一研究提出通過尋找太陽系內(nèi)可能存在的其他“人造”燈光來尋找外星文明的設(shè)想。

那么現(xiàn)在的問題是，為何我們還沒有發(fā)現(xiàn)地外智慧文明，特別是星際文明？

小詞典：什么是星際文明？

實(shí)現(xiàn)了跨恒星往返飛行，在不止一個(gè)恒星的引力范圍內(nèi)有定居點(diǎn)，并對各個(gè)定居點(diǎn)實(shí)現(xiàn)有效治理的技術(shù)文明。

曾在20世紀(jì)90年代采用不同的方法探尋過100個(gè)鄰近星系地外文明信號的詹姆斯·安尼斯懷疑，被稱為“星際生命殺手”的伽馬射線暴曾一度在宇宙中隨處可見，這些致命射線摧毀并抑制了高級文明的發(fā)展。如今宇宙間的伽馬射線暴有所平息，于是地球人類恰巧處于了智慧文明發(fā)展的“起點(diǎn)”之上。

可以想象，伽馬射線暴不過是星際文明漫漫成長歷程中要面臨的障礙之一，類似的障礙還有許多。換句話說，在宇宙中的無生命物質(zhì)和可持續(xù)擴(kuò)散的文明之間有一個(gè)巨大的篩選機(jī)制，通過這個(gè)篩選極其困難。如同武俠小說里描繪的那樣，一心向武的少年只是骨骼還不夠清奇，還需有諸般奇遇方能成為大俠，一個(gè)文明也要克服重重困難、跨越道道階梯才能成長為縱橫星系舞臺的角色。星際文明必須經(jīng)歷的種種歷練，被科學(xué)家總結(jié)為“大過濾器”（The Great Filter）。

尋找地外生命

二、大過濾器理論

“大過濾器”這一概念，是美國喬治梅森大學(xué)的助理教授羅賓·漢森為了試圖解答“費(fèi)米-哈特悖論”而提出的。

1998年，羅賓·漢森在一篇文章中，把沒有生命的荒蕪之地發(fā)展到具有擴(kuò)張性的星際文明的過程劃分成9個(gè)階段：

1.合適的行星系統(tǒng)（存在有機(jī)物以及生命宜居的行星）

2.可自我復(fù)制的分子（比如RNA核糖核酸）

3.簡單（原核）單細(xì)胞生命

4.復(fù)雜（真核）單細(xì)胞生命

5.有性生殖

6.多細(xì)胞生命

7.腦量較大、使用工具的動物

8.人類目前這個(gè)階段

9.星際殖民擴(kuò)張

漢森認(rèn)為，目力所及的宇宙寂寥無人的這一事實(shí)說明，上述9個(gè)階段——或者可能被細(xì)分出的更多階段——中，至少有一個(gè)階段是難以實(shí)現(xiàn)的。無論是什么因素在哪個(gè)階段阻止了星際殖民擴(kuò)張的最終實(shí)現(xiàn)，它都被稱為“大過濾器”。

根據(jù)大過濾器理論，一個(gè)物種要成長為星際文明，需要通過多種過濾器的檢驗(yàn)。這些過濾器就像“篩子”一樣，淘汰不合格的生命形態(tài)與社會形式。下面，我們將上述9個(gè)階段劃分為“環(huán)境”“生命”“文化”“科技”四個(gè)“篩子”，逐一進(jìn)行解讀。

小詞典：費(fèi)米-哈特悖論

根據(jù)人類目前掌握的科技知識以及歷史經(jīng)驗(yàn)推測，銀河系應(yīng)該早已充滿了四處殖民的星際文明，然而不僅地球上找不到外星人曾經(jīng)造訪的證據(jù)，在望遠(yuǎn)鏡里也瞥不見絲毫外星飛船或工程的影子——甚至連一個(gè)來自智慧文明的無線電信號都接收不到。

美國物理學(xué)家恩里科·費(fèi)米在1950年的一次非正式討論中指出了上述矛盾，認(rèn)為這似乎有些不同尋常。宇宙已經(jīng)有100多億歲了，僅僅銀河系內(nèi)便有幾千億顆恒星，而孕育了我們的太陽僅僅是其中較為年輕的一顆。即便考慮了光速的有限性和文明興衰的生命周期，這么長的時(shí)間里，宇宙間也應(yīng)該有過無數(shù)星際文明次第興滅，人類不該如此寂寞。1975年，美國天體物理學(xué)家麥克爾·哈特在論文中詳細(xì)探討了可能的解釋。之后，這一問題通常被稱為“費(fèi)米-哈特悖論”。

三、合適的環(huán)境（環(huán)境篩）

生命宜居帶

什么樣的行星或衛(wèi)星上有可能產(chǎn)生類似地球物種的生命呢？科學(xué)家提出了恒星周圍“生命宜居帶”的概念。所謂生命宜居帶，就是指位于這個(gè)區(qū)域內(nèi)的星球可以產(chǎn)生生命，并且能夠長期維持生命的存在。在太陽系中，生命宜居帶就位于距離太陽0.99～1.7個(gè)天文單位的宇宙空間。

一顆行星位于生命宜居帶內(nèi)，并不表明其上一定就有生命存在，還要滿足一系列其他條件才行。首先，這顆行星上一定要有液態(tài)水，而且液態(tài)水是長時(shí)期穩(wěn)定存在的。以地球?yàn)槔行潜砻娴乃嬖诹藬?shù)十億年以上，才能保證生命誕生并演變?yōu)楦叩壬?。一顆恒星周圍的宜居帶有內(nèi)邊界和外邊界之分。如果超越內(nèi)邊界，行星過于接近恒星，表面溫度就太高了，就像水星那樣，不易保持液態(tài)水，更不利于生命發(fā)展;如果超過外邊界，離恒星太遠(yuǎn)，溫度就會太低，水處于冰凍的狀態(tài)，生命就將無法存在和演化。

另一個(gè)要素就是行星本身的質(zhì)量。如果行星距其太陽恰好是1個(gè)天文單位，則要求行星質(zhì)量為相當(dāng)于地球的0.5～10倍個(gè)地球質(zhì)量。如果質(zhì)量太小，行星的引力就不足以保持維系生命存在的大氣，也就沒有了保護(hù)生命免遭致命輻射傷害的保護(hù)層;質(zhì)量太大，又容易吸引氫，從而形成木星、土星那樣的氣態(tài)行星，使生命難以生存。

開普勒太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的生命宜居帶行星

廣義的生命宜居帶還涉及恒星在星系中的位置。比如，這顆恒星不能靠近一些太大的恒星，因?yàn)榇筚|(zhì)量恒星演化到最后階段會發(fā)生劇烈的爆炸（新星和超新星爆發(fā)），產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射，不利于生命生存。因此，恒星在其星系中的位置也要恰到好處，就如我們的太陽在銀河系的位置。

綠色區(qū)域?yàn)楹阈侵車纳司訋?/p>

過去二十年間，天文學(xué)家共發(fā)現(xiàn)幾千顆太陽系外行星。不過，絕大多數(shù)已證實(shí)的系外行星都屬于木星這樣的巨型氣態(tài)行星，或者是溫度極高、軌道距離母星很近的行星。也就是說，在這些星球上發(fā)現(xiàn)生命的可能性非常渺茫。

盡管如此，科學(xué)家根據(jù)觀測結(jié)果推算，銀河系幾乎每顆恒星都有一顆行星環(huán)繞，所以整個(gè)銀河系約有1000億顆行星，其中，大約有17%——多達(dá)170億顆——是大小與地球類似的行星。那么，這些行星中位于生命宜居帶的又有多少呢？答案是約10億顆。

科學(xué)家在搜索地外生命時(shí)，多以液態(tài)水和有機(jī)物的存在作為外星生命存在的前提條件。有人批評說，這樣以地球生物為藍(lán)本的先入為主的觀點(diǎn)阻礙了對外星生命的探索，例如在遠(yuǎn)離恒星的生命宜居帶之外，可能存在通過地?zé)岬确绞骄S持地下的生物圈;也有生物能夠在高砷低磷的環(huán)境下存活，這說明生物組成“必備”的六大基本元素碳、氫、氧、氮、磷、硫，可能不是必需的。除了碳基生命之外，科學(xué)家還認(rèn)為，外星生命也可能以硅基、硫基、氨基等生命形態(tài)存在。所以，如果下一部《異形》系列影片中出現(xiàn)了在氣態(tài)行星的大氣層中飛翔的水母狀氨基生物，請不要大驚小怪。

生命搖籃本身

根據(jù)地球的經(jīng)驗(yàn)外推，生命很有可能出現(xiàn)在圍繞恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的行星上。如果行星的衛(wèi)星條件適宜，衛(wèi)星也是不錯(cuò)的生命溫床。無論是行星還是衛(wèi)星，下面這些小過濾器決定了生命能否在上面進(jìn)化為星際文明。

地質(zhì)活動。生命出現(xiàn)后，星球上不宜再有頻繁的地質(zhì)活動。類似木衛(wèi)一這樣的大衛(wèi)星，受木星強(qiáng)大引力的牽扯，產(chǎn)生了太陽系最活躍的火山，顯然不適合生命的發(fā)展。

冰期。對于地球這樣表面富含水分的星球，只有融化的水才能成為生命活動的溶質(zhì)。在40多億年的地質(zhì)歷史中，曾出現(xiàn)過多次顯著降溫變冷的時(shí)期，也就是冰期。前寒武紀(jì)晚期、石炭紀(jì)至二疊紀(jì)和新生代的冰期，都是持續(xù)數(shù)百萬年的大冰期。冰期改變了全球氣候帶的分布，導(dǎo)致大量喜暖性動植物種滅絕。對于目前的人類而言，遭遇冰期也是災(zāi)難性的，靠天吃飯的農(nóng)業(yè)會被徹底摧毀。

太陽系位于在銀河系的生命宜居帶中

磁極倒轉(zhuǎn)。地磁場包圍著整個(gè)地球，就像一把巨傘，保護(hù)著地球上的生物免受宇宙射線的傷害。根據(jù)各年代巖石磁化的方向，可以推測出地球曾經(jīng)多次發(fā)生磁極倒轉(zhuǎn)。過去1.6億年間，每百萬年磁極有2至6次的倒轉(zhuǎn)，但間隔不等。如果磁極倒轉(zhuǎn)，地球會有一段時(shí)間完全沒有磁場，這時(shí)的地球?qū)⑼耆┞对谟钪嫔渚€輻射下，這將會對生命產(chǎn)生致命影響。部分動物會失去定向能力導(dǎo)致滅絕，生態(tài)系統(tǒng)破壞。而且，太陽風(fēng)中的帶電粒子不再有地磁場阻擋，會強(qiáng)烈沖擊電離層，引起電離層暴，對無線電通信、衛(wèi)星、航天設(shè)備造成損害。如果在下次磁極倒轉(zhuǎn)前，人類有能力抵御上述不良影響，則有可能成長為星際文明，否則，將被禁錮在地球上。

自然資源。人類使用的所有資源幾乎都取自地球本身，即便是太陽能也大量以化石能源和風(fēng)能等形式存在。所以，一顆星球上的資源如果無法支持文明擴(kuò)張到另一資源地，那么這個(gè)文明自然沒有可能進(jìn)化為星際文明。

合適的星球跳板

月球以柔和的引力（大約1.98x1020牛頓）輕輕牽扯著地球。地球上直接朝向或背向月球的區(qū)域被這個(gè)力拉起來。如果這個(gè)區(qū)域是海洋，就會形成潮汐。地球每自轉(zhuǎn)一周，都要有兩次潮漲潮落。月潮把富含有機(jī)物的海水帶到陸地邊緣。在遠(yuǎn)古的海陸交界處，一些喜氧生物頑強(qiáng)地生存下來，成了最早的陸地生物。四億年前的一天，一條長相古怪的魚被潮水留在岸上，它拼命地張著鰓，扭動著身體，終于跳回了海洋。后來，它的后代漸漸能適應(yīng)了短暫的陸地生活，直到有一天它們深入岸上太遠(yuǎn)，以致無法返回海洋。這些早期的兩棲動物，就是包括人類在內(nèi)的所有陸生脊椎動物的直系祖先。

可以說，月球直接促成了生命從海洋到陸地的發(fā)展。月球還是科學(xué)發(fā)展的天然實(shí)驗(yàn)工具。很早以前，古希臘人就從月球的形狀出發(fā)推測出腳下的大地是球形的。

1609年12月的一個(gè)夜晚，伽利略把自制的望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)月球，驚奇地發(fā)現(xiàn)月球的表面凹凸不平，根本不像大家公認(rèn)的“天體都是完美無缺的”。作為一個(gè)堅(jiān)定的哥白尼學(xué)說的信徒，伽利略在不知不覺中從他所觀察到的月球陰影區(qū)內(nèi)的亮點(diǎn)和黑斑中，得出了有關(guān)月球表面情況的結(jié)論。他設(shè)想，月球的表面與地球的表面是相似的。因?yàn)樗ㄟ^新發(fā)明的望遠(yuǎn)鏡注視月球時(shí)，他“看到了”與地球上類似的情況。天和地是統(tǒng)一的，這一發(fā)現(xiàn)給了他駁斥舊學(xué)說的勇氣。

60年后，牛頓提出萬有引力定律時(shí)，月球同樣幫了大忙，為了驗(yàn)證自己關(guān)于“引力隨距離的平方而減小”的想法，他只能從天體的運(yùn)動中尋求支持。無疑，只有月球能擔(dān)此重任。當(dāng)?shù)卦戮嚯x和月球公轉(zhuǎn)周期被精確測定后，萬有引力理論被證明是正確的。萬一地球沒有月球這個(gè)鄰居，在當(dāng)時(shí)的條件下，牛頓沒任何辦法驗(yàn)證自己理論的正確性，科學(xué)的發(fā)展可能會延遲許多年。

又過了兩個(gè)半世紀(jì)，月亮幫忙驗(yàn)證了另一位科學(xué)巨人的理論，并使之揚(yáng)名天下。這個(gè)人比牛頓走得更遠(yuǎn)，他就是愛因斯坦。在1919年5月29日普林西比島發(fā)生的日全食中觀測到遙遠(yuǎn)星光經(jīng)過太陽時(shí)發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，廣義相對論指出的空間彎曲確有其事。全世界為之轟動。要是月球的大小不足以恰好遮住太陽，任何掠過太陽的星光都將不可分辨。從這一點(diǎn)上看，擁有這樣的衛(wèi)星真是科學(xué)的福音。

一顆遠(yuǎn)近適度的衛(wèi)星還能召喚文明走出搖籃，邁向星際。中國古代就有嫦娥奔月的神話，科學(xué)先驅(qū)開普勒、伽利略也把月球設(shè)想為人類飛天的第一站。月球既不遠(yuǎn)得難以到達(dá)，也不近得一蹴而就，它只等待那些科技水平足夠高的智慧生命來觸摸自己。就像阿瑟·克拉克在科幻小說《崗哨》中說的那樣：“只有當(dāng)穿越太空，逃離人的搖籃地球，以此證明自己適合于生存下去的時(shí)候，星際文明才會對我們的文明感興趣。”登月的成功使人類對自身的力量有了新的認(rèn)識。如果月球不存在，面對茫茫繁星，人類敢于貿(mào)然登臨遙遠(yuǎn)的火星或金星嗎？也許不會。月球以及火星是地球人邁向星際的跳板，是通向宇宙的橋梁。通過登陸這些星球并嘗試在上面生活，文明可以實(shí)現(xiàn)星際航行的技術(shù)積累。

如果沒有月球，地球上不會存在我們熟悉的生命形式。或者，陸地永遠(yuǎn)是蠻荒之地。受水的粘滯力所限，海洋生物即使有智慧，也無法產(chǎn)生像我們一樣的工業(yè)文明。他們可能構(gòu)成有組織的社會，但沒有可以建造房屋與工具的肢體。

甚至，地球上也許永遠(yuǎn)進(jìn)化不出智慧生命：隕星時(shí)不時(shí)地給地球以致命一擊，生命的鏈條還沒延伸到文明階段就斷裂了?；蛘?，隨著地軸頻繁擺動，大海不時(shí)被凍成大冰坨……可能存在著的動物為了適應(yīng)漆黑的夜晚都長著可以看見紅外線的眼睛……

宇宙誕生以來，曾有多少文明興滅？

所以，擁有抵御小天體撞擊的天然屏障，也是高等生命進(jìn)化乃至文明延續(xù)的合適條件之一。月球一樣的衛(wèi)星（火星的衛(wèi)星太小了，就沒有這個(gè)功能）、大行星（如木星）等像太空中的擋箭牌一樣庇護(hù)著潛在的星際文明，并靜待它們有朝一日改造自己。

【責(zé)任編輯：楊 楓】

本刊2016年第2期將刊載《篩選星際文明（二）》，探討滿足什么條件的生命才有可能成長為星際文明（生命篩）、怎樣的社會文化更適于星際移民（文化篩），歡迎關(guān)注。