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德雷克的勇敢猜想

一群天文学家在1961年聚在一起,试图计算出在我们自己的星系中找到智慧生命的几率,结果证明他们既聪明又幸运。

作者:Seth Shostak
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Lou Brooks

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弗兰克·德雷克(Frank Drake)在少年时期曾花许多快乐的时光沉思星空中是否存在智慧生命,但他不愿将这个话题与父母或老师提起,因为这听起来太异想天开了。1958年,他在哈佛大学完成了天文学研究生学业,并在西弗吉尼亚州格林班克新成立的国家射电天文台(National Radio Astronomy Observatory)找到一份工作,这个想法仍然萦绕在他心头。他推测,如果我们的星系中存在其他技术先进的文明,它们可能会使用与我们相似的通讯方式。于是,在1960年春天,他将格林班克85英尺的天线指向附近的恒星陶切蒂(Tau Ceti)和天苑四(Epsilon Eridani),首次尝试窃听来自地外文明的无线电广播。

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为期两个月的监听项目“奥兹玛计划”(Project Ozma)并未发现任何智慧生命的迹象,但它通过证明人类有能力接收到数万亿英里外的信号,激起了天文学家们的极大热情。一年后,德雷克邀请了十二位天文学家、工程师和生物学家来到格林班克,试图量化银河系中其他地方正在进行广播的可能性。“那是一段令人兴奋的几天,”德雷克回忆道,“他们第一次能够讨论一个一直让他们着迷但在此之前似乎遥不可及的话题。”

本月,德雷克联合指导的搜寻地外文明研究所(SETI Institute)将在位于北加州喀斯喀特山脉的新建艾伦望远镜阵列(Allen Telescope Array)进行一项全天候的银河系无线电信号搜索。该阵列由微软联合创始人保罗·艾伦(Paul Allen)捐赠的2600万美元资助,目前包含42个直径20英尺的碟形天线,可以同时监听来自不同射电波段的多个恒星的信号。

该阵列能够发现智慧生命的几率,是由德雷克在45年前为聚焦格林班克会议讨论而开发的公式表达的。天文学家们简单而崇敬地称之为德雷克方程。

N = R* fp ne fl fi fc L 德雷克的公式将20世纪60年代的科学知识推向了极限,甚至超越。像卡尔·萨根(Carl Sagan)这样的乐观主义者,他参加了格林班克会议,认为银河系的恒星海洋中可能漂浮着数百万个可探测的世界。而悲观主义者——许多人在随后的十年中发表了意见——认为数字接近零。

R* = 每年在我们星系中诞生的宜居恒星数量 德雷克写方程时,这是唯一一个基于硬数据的因素。1961年,我们知道银河系拥有数千亿颗恒星,年龄在100亿到200亿年之间。如果星系在其生命周期中大致以相同的速率孵化恒星,每年大约形成20颗新星。格林班克会议的与会者认为,其中一半的恒星足够稳定和长寿,可以支撑一个类地行星,因此他们将R*设定为每年10颗。

如今,我们从对遥远星系的观测中得知,恒星的诞生速率随着时间的推移而下降。因为我们正在寻找当前存在的文明,我们对大约与太阳同时期——50亿年前——诞生的恒星感兴趣。那时,恒星形成率已下降到每年5到10颗,远低于德雷克的估计。但这并非故事的全部。

这些恒星中的绝大多数是暗淡、低质量的矮星,被称为红矮星。过去,这类恒星被认为不太可能产生生命,因为任何离得足够近以保持温暖的行星都会被锁定在同步自转状态:一个半球永久面向恒星,变得灼热,而另一侧则背离,变得如此寒冷,以至于任何大气都会冻结在表面。现在看来,这种黯淡的设想是错误的。目前的 शोध 表明,风会将热量从一个半球带到另一个半球,从而形成一个温和的边界,生命可能在那里起源。

将所有红矮星都纳入考虑范围,意味着今天对R*的估计是每年5到10颗——与1961年大致相同。

Lou Brooks

fp = 拥有行星的适宜恒星的比例

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1961年,天文学家尚未发现一颗绕除太阳以外的恒星运行的行星。尽管如此,格林班克会议的与会者基于理论假设行星像苍蝇一样普遍,并将拥有行星的恒星比例设定为大约一半。这是一个夸西莫多(Quasimodo)般大小的直觉。

如今我们可以做得更好。自1995年以来,多个团队发现了170多颗系外行星。大约5%到10%的被研究恒星拥有行星,但这只是一个下限:目前的仪器无法找到比海王星小很多的行星,而且往往会错过轨道缓慢的行星。与此同时,行星不断在科学家们曾经认为不太可能出现的地方被发现,例如围绕双星。据加州大学伯克利分校的行星猎手Geoff Marcy称,“拥有行星的恒星比例可能高达90%。”

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ne = 每颗恒星周围的宜居行星数量

过去,科学家们会严肃地谈论我们太阳系的“宜居带”——一个理论区域,从金星延伸到火星,但可能两者都不包括在内,在那里行星的温度适宜,表面有液态水。我们的太阳系只有一个行星(地球)符合条件,这导致当时人们估计ne为1。

过去几十年的一个重大惊喜是,人们逐渐认识到生命比想象的要顽强,我们太阳系中有几个世界比人们曾经认为的要温和。某些极端微生物(能忍受恶劣条件的微生物)已经在高于沸点的海水、极地冰层,甚至地层深处被发现。其中一些微小的顽强生物不需要氧气就能生存,并且可以在火星的地下含水层、木星三个卫星冰封表面下可能晃动的海洋,或者土星卫星泰坦(Titan)那被碳氢化合物覆盖的地貌下茁壮成长,那里的地热可能维持着液态水的池塘。

旧的宜居带概念过于狭隘。最新的观点认为,每个行星系统可能包含两到三个甚至更多能够支持生命的行星。

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fl = 拥有生命的宜居行星的比例

当我们方程向右移动时,各项的数值变得越来越不确定。我们还没有发现任何地外生物的证据,所以我们无法客观地判断生命是偶然一次的事件,还是近乎必然的现象。

越来越多的证据指向后者。地球生命的基本构成——大约二十几种简单分子,包括水——现在已知在恒星诞生的银河星云中非常丰富。最近的实验表明,碳尘粒(形成行星的物质)有助于氨基酸的产生,而氨基酸是蛋白质的构成单元。几乎任何一个行星在形成过程中都会被生命的基本要素轰击和覆盖。

德雷克的研究小组保守估计fl为10%,这个值仍然看起来是合理的。显然,如果我们能在火星或其他附近世界发现像外星水藻(或其遗迹)这样简单的东西,这个数字将大大提高。

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fi = 拥有智慧生命的智慧文明的比例 斯蒂芬·杰伊·古尔德(Stephen Jay Gould)曾以著名的方式将人类描述为进化过程中的一个意外,并认为如果地球的历史稍有不同,我们就不会出现。但如果我们不在,进化最终是否会产生其他思考型物种?换句话说,智慧是否足够有用,以至于迟早会出现?

一种回答这个问题的方法是观察其他地球物种是否趋向于智慧。对化石海豚头骨的研究显示,在过去的5000万年里,它们的大脑能力有所增强。许多其他生物,特别是某些鲸鱼和鸟类,在过去数千万年里也表现出相对于体型而言大脑增大的趋势。四十年前,德雷克及其团队猜测fi必须接近1。今天有证据表明,进化的道路可能常常通向智慧的发展。

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fc = 发展出无线电技术的智慧物种的比例 仅仅因为你聪明,就意味着你会将你的新闻和观点广播到太空吗?答案在很大程度上取决于社会学,也取决于进化生物学,而且今天的猜测性不亚于1961年。地球上只有极少数文明发展出了我们今天所知的科学。另一方面,这个数字不是零——例如,古希腊人、中国人、玛雅人等都做到了。一旦科学被发明出来,它就变得如此有用,以至于像培养皿中的霉菌一样传播。

看起来很明显,如果一个物种拥有说话的脑力,以及可以操纵钳子的附属器官,它最终就会偶然地进入科学、技术和无线电领域。有些文明可能会卡在只使用轮子或算盘上,但只需要一位科学家就能弄清楚电和磁的原理,就像詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)在1864年所做的那样。不到一代人的时间,成群结队的爱好者就在摆弄简陋的无线电设备;再过两代人,德雷克就有能力使用一个可以接收数光年外信号的无线电望远镜。因此,fc过去,现在仍然被假定接近100%。

L = 文明发出可探测信号的平均持续时间 即使技术社会不断涌现,如果它们迅速自我毁灭,我们也永远找不到它们。在冷战期间,许多研究人员担心技术文明的寿命可能非常短,可能只有几百年或更短。他们认为,建造无线电所需的专业知识只比建造核武器所需的少一点,因此,当一个文明开始调试它的发射器时,一些内部的争斗就会导致它在蘑菇云的风暴中消失。在过去十年中,这种反乌托邦的态度有所缓和,取而代之的是另一种担忧。电视发射器正迅速被光纤电缆和直接广播卫星取代。地球可能很快就会变得“无线电静默”——一种在外星世界也可能发生的科技演变。

这听起来L似乎注定要短暂,无论如何:要么技术娴熟的文明自我毁灭,要么它们变得沉默。但这种令人沮丧的观点仅基于人类大约60年的经验。事情可能会改变,而且会发生剧烈改变。当一个技术文明发展出火箭时,殖民附近的太空很可能随之而来。也许外星人会建造一个遍布太阳系的GPS系统,它会随意放出无线电信号。也许它们会广播一个小行星天气预报。无论如何,假设它们没有强大的发射器是鲁莽的。

德雷克将L的值设定为10,000年。其他人也做出了远短和远长的估计,但这正是方程中我们猜测纯粹是猜测的部分。

N:答案是…… 当弗兰克·德雷克和他的同伴们将他们最好的猜测代入方程时,他们得出了一个数千的结果——这意味着智慧生命足够普遍,应该在距离地球约1000光年的范围内存在一个文明。

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1961年的十二位杰出人士既有远见,又很幸运。如今,随着更多信息的可用,德雷克的估计仍然令人信服。事实上,正如德雷克所说,“我们当年做的许多假设已经成为既定事实。”

事情本可能完全不同。天文学家们可能发现行星稀少,或者潜在的栖息地很少。相反,我们对宇宙的日益增长的理解证明了德雷克的乐观主义,有时甚至更进一步。这就是为什么,尽管经过45年的零结果,我们中的许多人比以往任何时候都更坚信我们并不孤单。

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