計算外星文明的數(shù)量

王奔

德雷克方程

尋找外星文明并非科學怪人和陰謀論者的專利，天文學家——尤其是那些聰明的天文學家——一直專注于這個領(lǐng)域，他們甚至創(chuàng)造出一個方程來計算找到外星文明的可能性。

1961年，美國天文學家弗蘭克·德雷克就首先寫下了德雷克方程，試圖計算銀河系中那些活躍的、有著發(fā)達科技并且能夠與人類交流的外星文明的數(shù)量。方程如下：

N=R*×fp×ne×fl×fi×fc×L，

其中：

N代表外星文明的數(shù)量

R*代表銀河系內(nèi)恒星的數(shù)量

fp代表恒星系具有行星的概率

ne代表每個恒星系統(tǒng)中具有宜居行星的概率

fl代表宜居行星孕育出生命的概率

fi代表生命進化出智能生命的概率

fc代表智能外星文明用人類可以識別的科技手段向太空傳播信息的概率

L代表在行星整個壽命中目前存在外星文明的概率

德雷克方程中的未知量分別取自天文學、地質(zhì)學、生物學以及人類學，每一個未知量的存在都以前一個未知量的存在為前提，邏輯上環(huán)環(huán)相扣，算得上是一個很聰明的方程式。

德雷克方程提出后，天文學家在一段時間里對這個式子并沒有太大信心。首先，式子中的未知量的代入值難以確定，20世紀60年代，天文學家甚至還不知道太陽系外的恒星是否真的擁有行星。其次，德雷克方程寫在宇宙大爆炸學說被驗證之前，以已經(jīng)偏離天文學主流理論的恒穩(wěn)態(tài)宇宙模型（恒穩(wěn)態(tài)宇宙模型認為，宇宙的過去、現(xiàn)在和將來基本上處于同一種狀態(tài)，從結(jié)構(gòu)上說是恒定的，從時間上說是無始無終的）為基礎(chǔ)，天文學家覺得R*的數(shù)值難以確定。另外，被德雷克方程所激勵的“搜尋地外文明計劃”——用無線電信號尋找外星人——也是泥牛入海無消息，找到外星文明的前景并不樂觀。

不過，現(xiàn)在已經(jīng)是2019年，天文學家已經(jīng)了解了許多人類1961年還不曾了解的宇宙知識，他們可以修正方程中未知量的數(shù)值，相對靠譜地計算一下外星文明的數(shù)量。下面我們就來看一看天文學家最新的計算方法吧。

計算宜居的行星

1.R*：銀河系內(nèi)恒星的數(shù)量

今天，世界各地的天文臺已經(jīng)做了多次全景巡天和深巡天，天文學家可以簡單地看清銀河系有多長、多寬、中心的隆起有多厚，他們通過觀察就能夠估計出恒星的數(shù)量，自然不需要去理會宇宙大爆炸學說了。天文學家已經(jīng)達成共識：銀河系中恒星的數(shù)量在2000億～4000億之間。相差僅兩倍的不確定性是可以接受的，樂觀的天文學家會傾向于選用一個最大的數(shù)字——4000億。

2.fp：恒星系具有行星的概率

在過去的20年中，借助強大的太空望遠鏡，新發(fā)現(xiàn)的系外行星像雨后春筍那樣紛紛“破土而出”，比如美國航空航天局2009年發(fā)射的開普勒太空望遠鏡，它已經(jīng)明確發(fā)現(xiàn)了超過130顆系外行星，還探測到3000多顆有待確認的潛在行星。這些新的發(fā)現(xiàn)，給予了天文學家有關(guān)銀河系內(nèi)系外行星數(shù)量的普查數(shù)據(jù)。根據(jù)普查結(jié)果，天文學家認為，恒星系具有行星的概率至少有80%，樂觀點，fp取1也是可以的。

3.ne：恒星系統(tǒng)中具有宜居行星的概率

一顆正值壯年的恒星，是否能夠“支撐”起一片適宜居住的生命世界呢？一顆類似于太陽的恒星——帶有太陽的質(zhì)量、半徑和壽命——是可以做到的，人類文明的存在就是證明。但是，更大、更重的恒星可以么？有時候，太大意味著燃燒得太快，以至于恒星進入暮年時生命還沒來得及出現(xiàn)。一顆低質(zhì)量的恒星也不保險，因為小恒星可能不太穩(wěn)定，它會時常閃爍，吹走行星的大氣層或者發(fā)出足量的紫外線，殺死生命。

另外，天文學家還要考慮許多問題。比如，恒星系中是否有足夠的重元素來支持生命活動，或者恒星在銀河系中所處的位置是否安全——如果恒星靠近黑洞或者位于混亂喧囂的銀河系中心，那里就很難出現(xiàn)宜居世界。即便恒星的問題能夠搞清楚，宜居的標準也是難以判定的——地球當然是宜居的，然而在早期的太陽系中，地球和金星、火星的自然條件其實是相似的，但后者現(xiàn)在肯定是一片不毛之地;外太陽系的木衛(wèi)二和土衛(wèi)二都帶有地下海洋，可能隱藏著尚未被發(fā)現(xiàn)的地下生命，那么這兩顆衛(wèi)星應(yīng)不應(yīng)該被視為宜居世界呢？

所以，許多問題都是說不清的，天文學家只能做出一個保守的估計：銀河系中至少1/4的恒星可以擁有一個潛在的宜居行星。

不確定的未知量

4.fl：宜居的世界能夠產(chǎn)生生命的概率

前面的三項乘起來，天文學家得到了一個銀河系中宜居行星的保守數(shù)量：1000億——這是個不錯的數(shù)字。但是，方程中后面的4項才是更大的挑戰(zhàn)，因為這4項更加難以確定。

在所有宜居的星球上，自然界如何邁出從非生命到生命的第一步？原始生命起源于星際物質(zhì)還是海洋或者大氣層？對于這些問題，我們甚至還沒法給出太陽系自身的答案。樂觀點說，生命從宜居世界中出現(xiàn)的概率可能有10%，但也可能是極小的，不足百萬分之一或者更糟。

天文學家可以給“fl”選擇任何一個數(shù)字——另外一個隨意的數(shù)字也不見得強多少。或許在未來的某一天，天文學家將有能力用望遠鏡技術(shù)測定各種系外行星的大氣層的成分，找到甲烷、氧氣和二氧化碳等生命所需的物質(zhì)，但這些充其量也只是間接證據(jù)。所以，如果天文學家認為，一個潛在的宜居世界誕生生命的可能性有萬分之一，這就意味著銀河系中可能有1000萬個生命世界存在。

5.fi：生命可以進化出智能生命的概率

定義一種生命是否智能其實是很含糊的，就連頂尖的生物學家都在爭論：海豚、類人猿或者什么別的動物是否是智能的。但是，沒有人會懷疑，高等生命的身體是復(fù)雜而且高度分化的，即高等生命體以宏觀的多細胞的方式排列組合，形成具有不同功能和結(jié)構(gòu)的器官和組織。所以，為了簡化問題，生物學家可以暫且拋開智不智能的爭論，先探討一下高等生命出現(xiàn)的概率。

在第一個多細胞生命出現(xiàn)之前，“生命”這種東西已經(jīng)在地球上“摸爬滾打”了20億年。多細胞生命出現(xiàn)之后，又花了數(shù)億年，生命才發(fā)展出帶有性別差異的兩性功能。沒有這兩個歷史階段，單細胞生命就不可能被淘汰，或者它們只能進化成更大的單細胞。但生命有多大的概率會在發(fā)展的過程中走出這“兩步”？生物學家只有地球這唯一一個“數(shù)據(jù)實驗室”。假設(shè)“fi”有千分之一的概率，那么銀河系中會出現(xiàn)1萬個存在高等生命的世界。考慮到恒星與恒星之間的平均距離，這意味著每隔幾百光年，我們就能夠發(fā)現(xiàn)一個新的“地球”。

6.fc：智能外星文明用人類可以識別的科技手段向太空傳播信息的概率

樂觀點，fc可以取值為1——這也不見得有多么不合理。

不足1的計算結(jié)果

7. L：在行星整個壽命中目前存在外星文明的概率

這是一個超級難回答的問題。為了讓這個問題有個相對合理的突破口，我們就不要在乎外星人是否經(jīng)歷了第一次或者第十次科技革命，也不要在乎它們是否在戰(zhàn)爭中自我毀滅或者有入侵太空的野心。天文學家只需要關(guān)心：外星人是否像人類一樣聰明。如果是的話，這就意味著它們也有科技文明。

當然，除了地球之外，沒有任何外星科技文明的數(shù)據(jù)可以參考。那我們就看看地球的“L”值吧。在地球上，寒武紀大爆發(fā)距今已經(jīng)5億年，但地球上只發(fā)展出人類一種科技發(fā)達的物種，而且人類發(fā)展現(xiàn)代科技的時間也僅有區(qū)區(qū)幾百年。假設(shè)人類按照如今的狀態(tài)繼續(xù)生存幾千年，這就意味著地球壽命中，人類處于高科技狀態(tài)的時間可以占到十萬分之一。也就是說，即使銀河系中有1萬種會制造飛碟的外星文明，那么它們能夠及時遇到人類文明的數(shù)量也只有0.1。

根據(jù)這樣的計算，對于人類而言，銀河系中外星文明的數(shù)量只有0.1（我們可以將其理解為10%的概率）。這個數(shù)字當然不太準確，但目前，準確計算這個問題是不可能的。

其實，人類探索外星文明的事業(yè)才剛剛起步，與其糾結(jié)于這個充滿不確定性的公式，還不如積極地用科學手段去搜索太空，也許，人類很快就會有驚人的發(fā)現(xiàn)。