外星人尚未到來?

凱萊布·沙夫（CalebScharf）

多年來，許多科學家都在討論尋找外星人造訪太陽系之后留下人造物的可能性。但迄今為止沒有找到任何這方面的證據。　環球科學供圖

★到目前為止，人類尚未在地球上找到外星人留下的痕跡，但在一些科學家看來，這并不代表外星人不存在——就算外星人遍布銀河系，我們也不必為地球至今未被造訪過而感到驚訝。

1790年1月15日，英國皇家海軍“邦蒂”號的9名叛變船員、來自塔希提島的18個成年人及1名嬰兒登上了皮特凱恩群島（Pitcairn Is-lands）。這里地處南太平洋，離這座群島最近的島嶼也在數百千米之外，堪稱與世隔絕。

在14世紀，還有波利尼西亞人在皮特凱恩群島居住，但此后的幾百年里，這個地方一直了無人煙，直至“邦蒂”號船員上島。島上的原住民可能存在了幾個世紀，但由于自然資源枯竭，加上和其他島嶼的沖突導致貿易和補給被切斷，皮特凱恩群島上的居民逐漸消失了。這個至少看上去曾經宜居的地方最終變得沒有人煙，直到1790年，“邦蒂”號船員抵達那里。此后，盡管皮特凱恩群島上有人看到過遠處有船只經過，但直到18年后，才有另一艘船在這里靠岸。

皮特凱恩群島的故事只是南太平洋上人口遷徙的一個極端案例。在波利尼西亞、密克羅尼西亞和美拉尼西亞，南太平洋數百萬平方千米的海域中散布著數萬座島嶼。其中許多只不過是由巖石和珊瑚構成的凸起，即便是宜居的地方也并非總是有人居住。不過總體而言，對于在汪洋大海中穿行的人來說，它們是一大片潛在的文明定居地。

“哈特的事實A”

地球上的環境與我們的宇宙環境有著驚人的相似之處。在銀河系中，可能存在著約3000億顆恒星。根據美國航空航天局開普勒望遠鏡對太陽系外行星的搜索，科學家估計，在銀河系的星海里，超過100億顆小型巖質行星有著宜居的表面環境。就像地球上的島嶼，這些行星會產生并維系生物系統，可以為任何想進行星際移民的物種提供落腳點。這正是最有趣的地方。

就像西歐人最終所意識到的，沿著幾座島嶼，僅靠劃小船，人類就能穿越數千千米寬的海域。同樣，生命在銀河系中的擴散不需要長久的駐留地，也無需相當長的時間（這里是指宇宙尺度上的時間）。

一個廣為人知的故事是，美國物理學家恩里科·費米（Enrico Fermi）在1950年和一群年輕科學家吃午餐時，首先意識到了這一點。如故事所傳說的，他問了在座的科學家一個問題：“你們就沒有想過其他人都在哪兒？”這里的“其他人”指的是具有星際旅行能力的物種。費米的話多少有點被誤解，所以隨著時間的流逝，這個問題演變成了費米悖論：除非高技術文明瀕臨滅絕，否則目前他們應該散布于銀河系的每個角落，但我們卻從未發現他們的蹤跡。費米以擅長在腦海中進行估算著稱，他通過估算發現，不消百萬年的時間（在宇宙尺度上，一百萬年時間只能算是一瞬間），生命就會遍布在銀河系各處。

1975年，美國天體物理學家邁克爾·哈特（Michael Hart）第一個對這個問題進行了真正的定量研究，提出了現在被稱為“哈特的事實A”（Hart's fact A）的觀點：目前，地球上沒有外星人。對于大多數頭腦清醒的人來說，這是一個毋庸置疑的事實。

正是基于這個事實，哈特得出結論，不管是過去還是現在，銀河系都不存在其他的技術文明。就如費米最初的看法，這一結論的關鍵點在于，即便使用速度遠小于光速的中等推進系統，穿越直徑10萬光年的銀河系也僅需要相對較短的時間。

美國物理學家弗蘭克·蒂普勒（Frank Tipler）也研究了這個問題。和哈特一樣，他在1980年指出，在不到100萬年的時間里，有意移民的外星人會遍布銀河系。考慮到太陽系的年齡約為45億年，銀河系的年齡則至少有100億年，外星生命有極其充足的時間來涉足銀河系所有宜居的星球。

但關鍵在于，這些研究所探討的生命擴散過程多少有些不同。哈特假設某個生物物種“親自”去移民，而蒂普勒考慮的則是一群可自我復制的星際探測器不受控制的擴散:在大多數的移民過程中，恒星系統及其行星是宜居的；如果它們還不具備這樣的條件，則可以充當發射去往新行星系統的基地。對于蒂普勒的可自我復制的機器人來說，擴散的主要限制因素是制造下一代機器人所需的能源和原材料。

更簡單的解釋

所以你看，關于外星生命，不同科學家的想法存在根本的差別，正是這種差別，凸顯了探討星際移民的巨大挑戰。任何類似的研究中總是有大量重要的假設。一些是合理且易于證明的，但其他的則難以捉摸得多。例如，所有的理論都涉及對星際旅行所用技術的猜測。此外，當一個物種親自遠征而非派出機器人時，最根本的假設是生命能在任何形式的星際旅行中存活下來。

我們知道，哪怕以10%的光速飛行，都需要一些非常瘋狂的技術，例如氫彈推進或者由激光驅動的光帆。此外，還需要防護星際氣體原子對船體的侵蝕以及星際巖石對飛船的破壞。在以相對較高的速度飛行時，每一塊石頭的撞擊都猶如一顆炸彈。以較低的速度行進時會更安全得多，但從一顆恒星去往另一顆恒星會耗時幾百年甚至上千年，目前還不清楚在這一遠超個體壽命的時間跨度上，如何能讓船員健康地存活下來。

然而，爭議最多的假設則事關星際移民的動機以及對文明壽命的假定。例如，如果某個外星物種對去往其他恒星根本就不感興趣，銀河系移民的整個想法就會不成立。這是美國天文學家卡爾·薩根（Carl Sagan）和威廉·紐曼（William Newman）在1983年所提出的一個論點，以此來反駁地外文明研究中的唯我論方法。但如我的同事、天文學家賈森·賴特（Jason Wright）所指出的，這類觀點本身就是一個“單一文化的謬論”。換句話說，這需要整個種族的行為完全一致，猶如僅有一個統一的思想。我們人類顯然不符合這一條。即便銀河系中大多數具有星際旅行能力的文明無意于星際移民，它們也不應該都反對把生命和技術擴散到數千億個恒星系統中去。

事實上，科學家對費米悖論中的假定有過很多討論，也提出過各種各樣的答案。但這些答案鮮有可檢驗的。盡管有些想法相當直接，但其他的想法嚴格意義上說都屬于科幻。例如，即便是對于一個高技術物種來說，獲得高速星際飛行能力的成本也會非常高昂。在這一前提下，星際探索者的數量肯定不會太多，這也能解釋“哈特的事實A”。或者，如許多科學家所提出的，物種數量的增長并不會成為一個物種向外擴張的主要動力，尤其是那些能抑制貪婪的沖動，并能在自身的行星系統中可持續發展的物種。除了科學探索之外，最終的綠色革命也會消除這類物種去往外星的動力。

還有一些聽上去更為不妙的觀點，例如“大過濾器”的概念。這種觀點認為，總是存在某種東西會制約某個物種，也許綠色革命不可避免地會失敗，導致所有潛在技術文明內爆式滅絕。或者，從超新星爆發到銀河系中心黑洞的爆發，自然災害也許會定期地遏制銀河系中的生命，使之無法擴散。

更加駭人的觀點還有“動物園假說”。這個假說認為，外星人故意隔絕了人類。還有一些在我看來比較偏執的想法：雖然存在著其他文明，但由于對外星生物的恐懼，它們躲藏了起來，拒絕與其他物種通訊。

也許，有更加簡單的方式來解釋我們為什么還沒有發現地外文明。答案也許就在我們的眼皮底下——這與南太平洋諸島上，人類的生存隨時間變化的情況有一定的相似性。不管是在地球上，還是在其他星球上，從稀有的宜居點前往另一個落腳點所需要的時間，都是由一些基本且普適的因素決定的。

無法排除的可能

時間來到2015年。一天，我和美國羅切斯特大學的亞當·弗蘭克（Adam Frank）在哥倫比亞大學校園附近共進午餐。如同費米在65年前的午餐一樣，我們談的是具有星際飛行能力的物種的本性。受到費米即興心算的鼓舞，我們試圖提出一種研究策略，盡可能不使用無事實根據的假設，而是可以利用真實數據來檢驗或限定相關的假說。這個策略的核心是一個簡單的想法，就像皮特凱恩群島上短暫存在的居住者一樣，星際探索或移民的浪潮也許在銀河系中也是時起時落，而人類碰巧處于一個這樣的低谷期。

這個想法可以解釋“哈特的事實A”，即沒有證據能支持今天的地球上存在外星人。但是，如果我們可以弄清楚地球未曾有過外星人造訪的確切時間跨度，那么是否可以給銀河系是否存在外星人加上一個有意義的限制條件？　也許很久很久以前外星人曾經來過地球，然后又走了。多年來，許多科學家都在討論尋找外星人造訪太陽系之后留下人造物的可能性。

但是，搜尋范圍要多大才行？這很難說，但在地球上進行搜尋，肯定是可行的。2018年，我的另一個同事、美國航空航天局戈達德空間研究所的加文·施密特（Gavin Schmidt）以及亞當·弗蘭克一起進行了一個重要的評估：我們能否確定，在現代人類之前，地球上曾存在過一個更早的工業文明。

這是一個很有意思的問題。和大多數行星科學家一樣，施密特和弗蘭克認為，時間其實很容易就能抹掉技術文明在地球上留下的所有痕跡。一百多萬年后，唯一能留下的證據只會剩下同位素或地層化學中的異常，例如合成分子、塑料或者放射性沉降物等奇怪特征。化石遺跡和其他的古生物學印記需要特殊的形成條件，因此會十分罕見，無法告訴我們任何東西。

的確，現代人類的城市僅覆蓋了地球表面約1%，只為遙遠未來的古生物學家提供了非常小的目標區域。施密特和弗蘭克還得出結論，迄今沒有人真正徹底地在地球上尋找過非自然的跡象。那么，如果幾百萬年前存在一個規模和現代人類文明相當的工業文明的話，我們也許無從知曉。但這絕對不意味著曾經真的存在過工業文明，而僅僅表明，這一可能性無法被嚴格地排除。

“銀河群島”

過去幾年，在美國羅切斯特大學的喬納森·卡羅爾-內倫班克（Jonathan Carroll- Nellenback）和賓夕法尼亞州立大學的賈森·賴特（Jason Wright）開展的一項研究中，我們研究了這些觀點在更大的星系尺度上的意義。我們取得了一個關鍵進展：通過一系列計算機模擬，輔以傳統的手工計算，我們建立起了一幅更加真實的圖像，可以反映出物種會如何在星系中擴散。

如果拍攝一張太陽周圍幾百光年內恒星的照片，你就會發現它們的運動就像氣體中的粒子。相對于空間中某個固定的點，某顆恒星會沿著隨機的方向、以較快或較慢的速度運動。進一步放大到數千光年的尺度，你就會注意到宏觀且整體的運動——恒星會以2.3億年左右的周期繞銀河系中心轉動。越靠近銀河系中心的恒星，周期越短。有一些高速運動的暈族星會鉆進或鉆出銀盤面，它們是包圍著銀盤的球形恒星暈的成員。

這意味著，對于尋找合適恒星的文明來說，距離最近的恒星會隨著時間的流逝發生顯著的改變。我們的太陽系就是一個很好的例子。目前距離我們最近的恒星是4.24光年之外的比鄰星，但約1萬年后，它的距離會縮短到3.5光年，大大縮短了星際旅行的時間。如果能等上3.7萬年的話，距離我們最近的恒星會變成一顆小型的紅矮星羅斯248，到地球的距離也只有3光年多一點。

為了對不斷變化的“星圖”建模，我們在模擬中構建了三維的“恒星盒子”，恒星在里面的運動軌跡類似于它們在銀河系局部的真實運動。我們可以把其中一顆恒星看作某個文明當前所在的位置，然后開始模擬星際移民。這樣的文明壽命是有限的，因此它也可能從一個恒星系統中消失。在具備向最近的恒星發射探測器或移民之前，一個文明也會存在等待期。所有這些因素都可以改變、調整，這樣我們就可以研究它們對結果有什么影響。在大量的可能性之下，星際移民呈現出了一種自我擴散的形式，看起來有點亂糟糟。而這種形式的擴散速度是驗證費米悖論的一些可能解釋的關鍵。

我們的發現既簡單又微妙。首先，銀河系中類似中性氣體的恒星運動意味著，即便是以每秒約30千米的速度運動，最慢的星際探測器也能在遠小于10億年的時間里，帶著“移民先鋒”貫穿銀河系。這樣的速度差不多是目前“旅行者”1號朝太陽系外運動速度（每秒17千米）的兩倍。如果考慮銀河系自轉或暈族恒星的其他運動，所需時間會進一步縮短。換句話說，就像費米所認為的，讓銀河系中充滿生命并非難事。不過，到底該如何讓銀河系中充滿生命卻取決于宜居行星的數量，以及一個文明能在某顆行星上存在的時間跨度。

在極端情況下，通過削減可用行星的數量并把文明的壽命控制在10萬年左右，可以很容易地讓銀河系變得毫無人煙。在另一個極端情況下，也可以很容易地調整參數，使得銀河系中充滿了星際移民者。事實上，如果宜居行星足夠多，文明所能持續的平均時長其實無關緊要。如果它們能始終掌握星際旅行的技術，它們中就會有足夠的人繼續探索，最終足跡遍布銀河系。

但在這兩種極端情況之間，存在著最吸引人、可能也更真實的情況。當銀河系中宜居行星出現的概率處于某個中間值時，有意思的事情就會發生。特別是，銀河系某些區域中，宜居行星的數量可能會比較多，那么星際探訪者就會一波又一波地不斷造訪這里，或反復向這里移民。這就像是一座群島。而在這些行星系統周圍，通常是廣袤且無人的太空，其他行星不是太遠，就是散布得過稀而無法移民。

“銀河群島”這種說法能解釋地球的處境嗎？　也許真的可以。例如，如果典型的行星文明能延續100萬年，并且如果僅有3%的恒星是真正宜居的，那么地球這樣的行星大約會有10%的概率至少在過去的100萬年內未被造訪過。換句話說，我們很有可能處于銀河系中一個相對孤立的區域里。

反過來，這個理論也暗示，銀河系中的其他地方可能存在星際物種，對它們來說，星際造訪者可能司空見慣。這一情況并不是極端的假說，只需相當尋常的行星數量和銀河系常見的恒星運動方式，這種情況就可能發生。雖然它還依賴于星際旅行可行性的假設以及某個物種真的進行星際旅行的概率，但其他這些因素都是可以調整的參數。隨著對太陽系外行星認識的不斷增加，諸如宜居行星的數量這樣的一些因素已經為天文學家所知。其他一些因素，例如文明的壽命，則有待仔細的研究，因為我們也需要應對地球的可持續發展問題。

對我們而言，發現“星際群島”或者正在擴散的“移民先鋒”的可能性是存在的。不要把對地外文明的搜尋對準已知的單顆太陽系外行星，而是對準那些恒星分布有利于星際擴散或形成“群島”的區域，這或許會是一種有趣的新策略。直到最近，我們對銀河系中恒星的三維分布的認識依然有限，但歐洲空間局的蓋亞衛星正在勘測10億顆天體及其運動，由此也許可以找到我剛剛提到的那類探測熱點。

然而，費米悖論或許根本就不存在。我和同事們的研究顯示，對于一顆類似地球的宜居行星來說，沒有證據表明曾有外星物種造訪或移民其實是非常正常的現象。對于銀河系，無論是根本不存在高技術文明，還是充滿了星際探險家，都是很正常的。就像太平洋中的皮特凱恩群島在300年里一直處于無人的狀態，地球目前的情況或許也是這樣。如同波利尼西亞人在島上僅存在了幾百年一樣，真正的問題是，我們的文明能否會延續到星際移民潮到來的那一天。

（Scientific American中文版環球科學授權南方周末發表，謝懿翻譯）