生命和文明:追风的少年少女

生命和文明:追风的少年少女

星移君星移君

除了太阳系中的行星之外,到目前为止,已经确认的系外行星有 3268 颗[1],而这个结果仅仅是我们搜寻了整个银河系非常小的一部分得到的。既然银河系有这么多的行星,有些还是处在(地球)生物宜居带,在那些遥远的地方,会有一些别样的智慧在凝望着宇宙么?生命缘何而起?又会走向何方?

▲上图是 Kepler 卫星的探测范围,仅仅是天空一个非常小的区域,而且受限制于探测手段 Kepler 卫星探测到的也只是这个范围内一部分。

这些问题存在着种种解释,或许每个人心中都有一个解释,然而大多数的解释都停留在了假设的开始阶段,距离真正的科学尚有一些距离。这篇文章不会罗列这些不同的观点,而是与大家一起学习如何将自己心中那个原始的假设向前推进,从假设作出预测,甚至进一步提出检验的方法。


生命的起源: Panspermia

关于生命起源的研究非常多,这里就是举一个 panspermia (泛种论) 理论作为例子。

▲上图是 panspermia 的一张漫画。来源:Chris Silas Neal

Panspermia 的主要思路是生命或者构成生命的基础材料可以穿越星际空间从一个行星传播到另一个行星。例如来自星际的一些构成生命的基础物质进入到地球,然后在地球上开始了生命演化。Panspermia 其实是一个古老的想法,但是其真正的发展是由十九世纪的化学家 Berzelius,物理学家 Kelvin(开尔文) 和 Helmholtz(亥母霍兹) 以及二十世纪的物理学家 Hoyle(霍伊尔),生物学家 Crick(克里克), 化学家 Orgel 等人的研究推动的。

Panspermia 本身是一类理论,因为这样一个简单的假设可以通过各种各样的途径来实现,例如一些蛋白质或者遗传物质甚至细菌孢子可以通过恒星的光压来向星系外部扩散,也可以是行星上的强烈的撞击将包含生命的颗粒抛向太空,甚至可以通过其它的智慧生命有意地播种来实现。甚至有些人,例如 HoyleWickramasinghe,甚至提出来自太空的生命可能会与地球上的流行病大爆发有关。然而,这个理论只是地球上的生命起源,并不是真正的宇宙生命起源,因为真正的生命起源还是需要在某个地方出现,panspermia 只是增加了生命在宇宙中传播的概率。

Panspermia 可能存在的暗示:

  1. 有些生物的确实可以通过躲在彗星或者岩石中不会被杀死,相关的空间站实验例如 EXPOSE 等,也有相关的计算机的计算,例如 [12]。
  2. 星际尘埃可以穿越漫长的太空。
  3. 在远远高于对流层的地方发现了活的细胞。(Wickramasinghe)
  4. 45亿年左右的陨石中发现了细菌。( Geologist Bruno D'Argenio 和Giuseppe Geraci

反对 Panspermia:

  1. Panspermia 理论的出现是人们无法从化学上解释构成生命的物质的出现以及从简单的有机物构成生物的过程;
  2. 现在的 pre-biotic chemistry 已经有了很大的发展,在星系的各处、甚至在星云中的一些有机物相关的化学过程,暗示可能生命起源的化学过程并不是那么稀有。[11]
  3. 如果 Panspermia 是真实存在的,那么即便在整个地球生命演化的同时,来自外太空的其它生命或者生命原料会不停地出现在地球上么?

▲ 根据具体发现(或者个人信仰)的不同,可以大致判断倾向于哪种理论。比较容易接受的观点是,panspermia 和 local abiogenesis 哪个更容易出现,我们就更加倾向于哪个。然而,两种同时存在的可能性,也是有的。

如何为 panspermia 这个理论提供更好的依据呢?出来在地球上寻找来在外太空的生命这种并不具备太多说服力的方法,最直接的方法就是去寻找宇宙中生命的共同的起源地。直接去太空中寻找,这显然是超过目前人类的能力的。然而,如果仅仅观察,就是完全不同跟故事了。

在最近几年,系外行星探测的高速发展中,很多关于探测系外生命甚至系外文明的技术层面的讨论层出不穷。一个非常有趣的例子是 Lin 和 Loeb 的一篇关于如何探测类似人类的化石燃料文明的方法[14]。这篇论文讨论了如何通过寻找 CF4 和 CCl3F 这类自然界的化学难以产生、但是通过燃烧化学燃料或者化工生产可以产生的物质来定位外星文明。并且讨论了使用即将上天的 James Webb 太空望远镜来从系外行星光谱中探测到文明的可行性。

假定我们有了更加复杂的探测系外行星上是否存在生命的方案,并且我们确实发现了足够数量的有生命的行星,那么我们就可以通过这些行星的相对位置统计上的关联,来判断是否这些生命起源于同一个地方。 Lin 和 Loeb 这两个神奇的人在 2016 年的一篇论文分析了不同的生命起源在统计上的差异。

▲ 两张关于 panspermia 和 local abiogenesis 的差异的示意图。图中横轴是指的空间上的分布,纵轴是时间的演化。左图表示 pansermia 是在某些很少的地方出现生命,然后生命由这些地方扩散出来。右图是指的非 panspermia 的情况,生命在不同的地方出现,但是相互没有关联。来源:Lin, H. W., & Loeb, A. (2015)

如果真的是 panspermia 的情况的话,我们可以猜想生命出现在空间上的相关性应该是随着距离的增加而减少的,而没有 panspermia 的情况下不同的生命却是与距离没有关系的。

▲ 明显发现不同模型下,考虑空间上的相关性的差异。Adiabatic 指的是生命在一些地方随机出现,同时伴有 panspermia 的发生,而且生命不停地在扩散。Sudden 指的是生命在一个地方出现,同时通过 panspermia 扩散出来,因为扩散机制的限制,有一个最大的半径,大于这个半径就突然没有了关联。来源:Lin, H. W., & Loeb, A. (2015)

利用 panspermia 这个例子,我们可以看到科学的猜想是如何通过提出观测方案一步一步往前推进的。


费米悖论

费米悖论广为传播,对于这个问题,每个人心目中也有不下一套答案。1950 年,费米问出这个问题(Whre are they?)的时候,我们并没有观测到太阳系之外的行星,在那样一个年代,回答这个问题的需求似乎并不是那么强烈,毕竟总有人会说,万一行星本身难以形成呢。时至今日,费米的这个问题越来越重要:行星是如此普遍,如果有那么多的行星作为生命的栖居地,那大家都究竟都在哪里呢?

费米悖论: 宇宙显著的尺度和年龄意味着高等地外文明应该存在。 但是,这个假设得不到充分的证据支持。 ——费米悖论@维基

有很多人提出了很多对于费米悖论的解释,比如家喻户晓的刘慈欣的黑暗森林,Bezsudnov 和 Snarskii 的智慧扩张模型[9]。这里不再细说其它的理论,但是还是要放 Randall Munroe 的一副漫画。

xkcd: Fish

在这个问题里面,数不清的假设可以被提出来,然而如果要验证自己的假设,最重要的是数学模型的建立。我们这里举一个数学模型的例子。


David Brin 的 Great Silence

Glen David Brin 在 1983 年曾经发表过一篇名为 The Great Silence - the Controversy Concerning Extraterrestrial Intelligent Life 的论文。[2]

Drake 公式

这是 Drake 公式的复习。

Drake 公式是用来计算(描述)一个完整范围内(例如一个星系)存在可以被探测到的智慧文明的地点(例如行星)的数目 E 为:

其中各个参数的意思在下面的列表中指明。


——德雷克公式@维基百科

Drake 公式仅仅给我们一个概念上的感觉:为什么费米悖论这么重要?而在 David Brin 的论文中,他导出了一个可以用来描述在当前人类接触到 ETIS,即 Extraterrestrial Intelligent Species 的几率。

为了计算某文明 O 与其他外星智慧生命接触的可能性,我们需要考虑包括文明 O 自身的技术以及其他文明的扩张等诸多因素。文明的扩张只能基于我们自己的文明发展来给定前提假设才能真的计算。例如我们可以假设其他文明在母星上演化出来,然后往外扩散,在其他的星球上留下痕迹。倘若我们能够知道这个痕迹与某文明 O 的接触截面(即接触的可能性的一种量化),然后对所有的可能情况求平均,就可以知道某文明 O 与这种往外扩散的外星文明的接触的可能性了。再把其他所有的不同的文明都包括进来,那就是某文明 O 与所有外星文明接触的可能性。

其实作者的这项工作为后面的模块化分析做好了铺垫:给定不同的假设,计算某个特定的假设下的情况;对于结果不满意的人,使用其他的假设,重新计算假设的情况。以地球文明为例,我面可以排除很多假设,给定一个合理假设的范围。

当前(电磁波通信,低速飞船这样的技术水平)人类遇到外星智慧生命的概率(更严格的说是 likelihood)可以用下式计算,[3]

公式中的 E 就是 Drake 方程计算出来的存在可以探测到的智慧文明的栖居点。
公式中的 E 就是 Drake 方程计算出来的存在可以探测到的智慧文明的栖居点。

公式中的 E 就是 Drake 方程计算出来的存在可以探测到的智慧文明的栖居点。A_j n_j里面的下标 j 是演化出来的智慧生命栖居的或者排出的机器人(例如 von Neuman robot)所占据的栖居点的编号,n_j 是第 j 个栖居点所进一步能够栖居的地点的数目。A_j 是这类智慧生命的“接触截面”(contact cross-section),是这类生命跟其他的生命有接触的可能性的一个参数,其中的参数之所以有个 +1 是因为我们假定这个种类的生命是在其母星上演化出来的,所以他们总共在 n_j+1 个行星上留下了痕迹,当一个文明只栖居在自己母星的时候,其对应的 n 为零。N^∗ 是“归一化”系数,这里选用有效的恒星数目,去掉了那些不合适的恒星(例如短寿命的恒星,太过靠近的双星等等)。

作者还在此基础上,给定了一个简单的模型作为例子。他考虑了有多少恒星,恒星分布多么密集,某个种类的文明的扩张的半径和扩张的速度(与他们的飞船的速度、繁殖的情况等相关)以及该种类的文明在某个星球上的寿命。 (此栖居点上的文明的寿命,与很多因素有关,例如可能跟该物种的平均寿命有关。) 这样一来,我们就可以具体计算很多内容,也可以对模型进行修改或者完全推翻。 (这有点像 Facebook 那边一句著名的话:Done is better than perfect. 科研是一个循序渐进大家共同努力的过程,即便第一个可用的理论不完美,后面大家会不断修正扩展或者推翻。)

那么,眼界放回到地球文明来,为什么我们地球文明还没有接触到外星智慧生命?在计算地球遇到 ETIS 的概率的时候,有很多参数出现在了公式中。这里举一个例子,也就是概率计算中出现的人类与其它的文明相遇的“接触截面” A。这个名字很抽象,但是实际上它表征着地球与其它文明相遇的容易程度。David Brin 的论文中对许多能够影响这个参数的假设做了回顾,下面是其中几个比较有趣的理论的大意。[4]

  1. 外星智慧生命可能故意躲开我们这样的低级的智能或技术。毕竟相遇之后我们大多在获取新的信息,而不能提供给他们新的信息。
  2. 由于电磁波很容易被检测到,所以智慧生命可能会使用 Bracewell probe [5]来传递信息,从而减少电磁波的使用和泄露,而且他们也会很注意少使用用来扩展殖民地的机器人(可能会叛变失去控制)。
  3. 因为我们的探测方式不对。例如其他文明并不适用电磁波来通信,例如其他文明并不需要水,等等。
  4. 外星智慧生命故意隔离我们。可能的原因例如,把我们太阳系当作一个大型的野生动物园来看待[6],想要让地球独立发展以期待新的类型的事物出现[7]。也可能是等待地球上的社会发展成熟,或者觉得地球上人类太过危险(获得与社会发展以及人类心智不相匹配的科技之后)。
  5. Macrolife:摒弃了在行星上生活的方式。例如建造大型飞船游走在太空中,甚至拆解行星作为自己的飞船的原料。[8]
  6. 某些种类可能害怕太空,在行星上极力发展其他的技术并达到了出神入化的程度,但是依然没有离开自己的行星。例如虽然有过一个短暂的扩展时期,但是很快就蜗居在自己的母星上不出门了。
  7. 地球并不是他们想要的地方或者地球无法接近。例如这些智慧生命依靠某种类似虫洞的技术来快速穿越在不同的地方,但是由于某些原因,这类技术不能在地球附近建造,从而与地球没有接触。

小知识:

由于银河系中与银心距离不同的天体的公转角速度不同,所以实际上恒星之间径向的邻居会变化。自然,太阳系的邻居们也会变化,有的邻居会有很多很多亿年不在相见,对恒星来说也是永别。

通过这个例子,可以看到 David Brin 不仅仅把数学模型建立了起来,不同的情形的设想,都变成了不同的对参数的限定。

▲ 来源 Brin, D. (1983)


在危险的黑暗森林中生存

如果你对黑暗森林假设深信不疑,我们可以讨论作为地球人,应该现阶段如何隐藏自己。实际上现阶段我们最大的威胁,就是地球大气光谱所透漏的信息,而我们现阶段的文明已经发现对遥远行星的光谱的探测是如此容易,隐藏地球的存在应该是我们要做的零阶工作。

Kipping 和 Teachey 两个人发表了一篇题为 A cloaking device for transiting planets 的文章。文章内容正如题目所说,讨论了应该如何在掩星法探测中隐藏地球。

掩星法

掩星法是目前系外行星探测最主流的方案,利用的是系外行星在经过其宿主恒星和我们地球之间的连线上的时候,会遮挡行星的光芒,能够被我们探测到这种亮度的变化,从而推测有行星的存在。

▲ 来源:凌日法@维基百科

文章中设想的方案就是通过补偿地球遮挡带来的亮度变化,甚至光谱变化。当然作为另一种方案,我们也可以通过故意改变信号来让对方获得关于地球的错误的信息。所需要的能源,经过估算,峰值功率仅仅 30MW 这样的量级,核电站基本上都可以达到这样的要求。


▲ 当地球处在太阳和观测者之间的时候,通过朝向探测者发射激光,可以掩盖地球遮挡带来的亮度变化。来源:Kipping, D. M., & Teachey, A. (2016)


一个伟大的你

如果你在阅读了大量别人的工作之后,发现自己的想法很独特,希望你能沿着自己的想法深挖下去的,最后形成自己的理论。

追风吧,少年少女。


参考文献和尾注

[1] Exoplanet Exploration: Planets Beyond our Solar System

[2] G. Brin, 1983. Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society, 24, 3. The Great Silence

[3] G. Brin, 1983. Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society, 24, 3. The Great Silence

[4] 单凭脑洞提出假设是不能称之为理论的,需要很多的后续工作。聪明的读者,

[5] 一种恒星际用来通信的探测器。Bracewell probe

[6] J. Ball, 1973. Icarus, 19, 347. The zoo hypothesis

[7] Kuiper, T.B.H. & Morris, M., 1977. Science, 196, 616. science.sciencemag.org/

[8] 例如小说 Macrolife。

[9] I. Bezsudnov, A. Snarskii, 2010, arXiv:1007.2774. arxiv.org/abs/1007.2774

[10] F. Crick, 1973. Icarus, 19, 3. Directed panspermia

[11] 参考阅读 The Panspermia Paradox

[12] Mastrapa, R. M., Glanzberg, H., Head, J., Melosh, H., & Nicholson, W. (2001). Survival of bacteria exposed to extreme acceleration: implications for panspermia. Earth and Planetary Science Letters, 189(1-2), 1–8. doi:10.1016/S0012-821X(01)00342-9

[13] Mark J. Burchell (2010). Why Do Some People Reject Panspermia? Journal of Cosmology, 2010, Vol 5, 828-832. Journal of Cosmology

[14] Lin, H. W., Abad, G. G., & Loeb, A. (2014). DETECTING INDUSTRIAL POLLUTION IN THE ATMOSPHERES OF EARTH-LIKE EXOPLANETS. The Astrophysical Journal, 792(1), L7. DETECTING INDUSTRIAL POLLUTION IN THE ATMOSPHERES OF EARTH-LIKE EXOPLANETS

[15] Lin, H. W., & Loeb, A. (2015). Statistical Signatures of Panspermia in Exoplanet Surveys. Retrieved from arxiv.org/abs/1507.0561

[16] Kipping, D. M., & Teachey, A. (2016). A cloaking device for transiting planets. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 459(2), 1233–1241. A cloaking device for transiting planets

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