地球生命在宇宙中的地位|地球|太阳系|宇宙|星系|生命|行星|银河系

哥白尼400多年前告诉我们地球不是宇宙的中心时，恐怕很难想像他的这个想法会走得如此之远。今天天文学和宇宙学的研究对象已经接近于虚无，它们审视着时空的碎片，而这其中包含的竟是整个宇宙。我们该如何理解这种现象？哥白尼理论的终极延伸是否已经给我们无穷无尽的平庸命运烙上了封印？这个问题比乍看之下更为复杂。

我们显然微不足道

让我们从银河系后院——半人马座阿尔法 B 星开始。2012 年，我们在这位邻居身边发现了至少一颗行星。但那里并不能被称为“家园”。它的一年只有三天。它的表面温度在一千摄氏度以上——足以熔化硅岩。到了那儿，你会发现自己被包围在熔岩蒸汽里，肺将在瞬间被烤熟——随后肉体化为一缕青烟。

但它的大小和地球相似，而且只有四光年远。在这个太阳系中，可能还有其他更为温和的行星。这些行星只是离我们最近的邻居。银河系有 2000 多亿颗恒星，而它本身也只是可观测宇宙数千亿星系中的一个。过去几年我们已经知道，眼花缭乱的星际空间还在以一种令人惊异的效率大量生产被抛弃的流浪行星。

1995 年，我们在太阳系外发现了第一颗围绕类日恒星运行的行星。自此以后，被发现的系外行星数量飙升。有些恒星系统塞满了行星，它们在混乱的引力作用下，在轨道上拥挤地运行。很明显，宇宙中行星的数量要比恒星多得多——这些难以计数的行星大小不一，冷热不均，有一些颇像地球。事实上，根据最新分析，至少 15% 的恒星拥有与地球大小类似的行星，而且它们的轨道恰好能够使水保持液态。

生命的可能性因此大增。我们已经知道，宇宙中充满了地球生命所需的基本元素。假如我们仰望太空，就会发现至少有 70% 的星际分子含碳，碳的备用价电子用以和其他元素结合是最好不过的了。

外层空间已被证明是一口巨大的焖炖锅。每立方厘米致密星际气体含有大约 10000 个氢原子和 3 至 4 个碳原子。远不如我们日常呼吸的空气密度。深空中每个原子要飞行 100000 千米才有可能遇上另一个。但是这口太空炖锅有它自己的秘方——一种长期以来被低估的质子化分子氢，也就是 H3+。它含有三个质子和两个电子，能起到催化作用，会把元素间的碰撞和元素与恒星硅碳微粒的吸附变成一张巨大的反应网。数百上千万年后，这张网便会制造出复杂的化合物。比如多环芳香烃，它的苯环序列上集中了许多碳原子；又如一种氨基酸的前驱物质——氨基酸是构建你我身体的物质，我们可以在坠落的陨石里看到氨基酸片段的化学活动记录。它们落在了地球上，同样也有可能会落在其他行星上，充当起外星生化反应的引火剂。我个人认为，要成为复杂有机体，可以有许多不同的方式，而无需照搬地球上发生的一切。

外层空间已被证明是一口巨大的焖炖锅。

面对这一切，除非祈求有异常的人为情况，否则很难证明地球生命有全然的特殊性。

宇宙的“最终疆域”——比《星际迷航》中的那个要伟大得多。许多宇宙学家坚信我们的宇宙只是许多宇宙阵列中的一个，这些宇宙都有自己的物理法则，且被空间和时间相互分隔。这些观点中有一些来自驱动“暴胀”理论的物理学原理，这个理论认为极早期宇宙曾因“虚无”自身固有的不稳定而发生过指数级扩张。这些纯粹的推断也许很快就能够接受测试。我们这个宇宙与其他宇宙间的“碰撞”会在遍布全天的宇宙辐射背景或大尺度物质运动中留下细微的痕迹，下一代天文仪器应该能够对此加以检验。

这些多元宇宙中的每一个都有它自己的物理学，都有它不为人知的行星和它自己的宇宙化学。若说我们这个令人眼花缭乱的广袤宇宙绝无其他生命存在便让人难以置信，那么这些无限多的宇宙中更不可能连一个存在生命的宇宙都没有。

行星的检测：检测其他恒星周围的行星有许多方法，但是都不容易——行星既小又暗，会被邻近宿主恒星的光茫淹没。直接拍摄它们的反射光或发射光（红外）是一种最困难的方法，仅对少数恒星系统和巨行星有效。因此间接检测技术取得了令人难以置信的进展。通过测量恒星在行星引力作用下发生的“摇摆”以及所谓的“凌星法”发现了数百上千颗行星。“凌星法”要求行星的黄道面与我们的视线平行，而且它刚好又位于我们和它的宿主恒星之间，从而可以通过星光的微弱变暗来获知它的存在。我们发现的最小系外行星和月球差不多。一种更为强大的方式是利用引力透镜现象。只要角度合适，背景星光会在数小时或数天周期内变大、变亮，从而揭示出其间可能存在的行星。这种情况很少发生，但是天文学家通过监测数百万颗恒星已经在16个恒星系统中发现了18颗行星，并据此对银河系的行星丰度进行了估算。（来源：NASA 开普勒任务/Dana Berry）

因为有我们，所以必然有“他们”？

唷，我们所在的，是一个极大极大的空间。一想到这点就令人精疲力竭。我们远非宇宙的中心，也不是 600 年前那些平庸的学者想像出来的意志创造物。但是如此的浩瀚无垠究竟又意味着什么？我们该如何面对？假如我们是这些多元宇宙中唯一的生命，那么从某种程度上来说，我们就显得更为特殊——也更为重要。但是我们却身陷困境，因为我们如何面对取决于宇宙中到底是不是另有生命。

我们对地球以外生命的定量推理要感谢先前默默无闻的 18 世纪英国数学家、稳健派神学家 Thomas Bayes。他的贝叶斯统计学体现了一种信心。举例来说，假如一位没有经验的“数学”园丁，她有一块土地和一大袋神秘的“种子”。兴血来潮的园丁把种子埋进土里，浇上水，然后在一旁等待。

此时她不知道接下去会发生什么。几天过去后，种子发芽了。这意味着什么？种子总是会发芽吗？有这种可能性，因此园丁设想了一种能够进行预测的方法，用以检验同样的事情是否会再次发生。她提出了一个假说，认为种子发芽或不发芽的可能性是均等的——1 比 1 ，每种可能性都占 50%。这种假设称为“均匀先验”，明显是不正确的——但是却最有逻辑性。园丁只知道她的实验有两种结果：发芽，或不发芽。由于拥有的数据太少，她没有办法偏好哪种结果，因此她给每种可能性设置了相同的机率。

随后她又在地里埋下另一个种子，几天后幼苗再次破土而出。现在已经有两颗种子发芽，因此她的信心变成了 2:1（66.6%，或三局两胜）。等到第三次幼苗破土而出，她的信心又增加到了 3:1 （75%），以此类推。每次看到有幼苗发芽，园丁的信心都会越来越强，但是对种下的种子是否能够成长，却永远也没有绝对的把握。因为即便有一百颗种子发芽，她的信心也只有 99%。

宇宙中存在多少生命这个问题与贝叶斯分析是相似的。2011 年，两位普林斯顿科学家 David Spiegel 和 Edwin Turner 做了同样的事情。他们面对的情况比园丁要复杂得多，但是关键的特征却是相同的：数据极少。事实上他们的所有数据总结起来只能表明，地球上微生物的“发芽”是迅速出现的（一种偶发的自源事件），并正如我们所见，在 38 亿年后形成了拥有复杂细胞的智慧生命。这两个事实能够告诉我们什么？生命在宇宙中无处不在的可能性有多高？

答案是，并没有那么高。贝叶斯分析的核心，是对结论有多少来自假设、有多少来自真实数据进行权衡。我们的宇宙生命推论对假设的依赖程度相当高——我们的理论优先考虑了生命在行星上出现的可能性，而低估了地球这个特定的结果。在简单而乐观的模型中，生命自然产生的频率是恒定的，也许会随行星年龄的增长而降低，但对宇宙中存在多少生命的预测是基于地球生命的自然产生方式。模型也承认，这种自然产生的概率非常低，每 100 亿甚至 1000 亿年才可能有一次机会，这其实暗指我们有可能是宇宙的第一种生命。对这个模型稍加改变，便会失去所有的赌注。我们所拥有的数据实在太少，因此无论朝向哪个方向都无法建立起信心。

再者，Spiegel 和 Turner 的分析指向了一个简单的事实，因为我们在此发问，所以我们所处的行星，就必然是一个最终能够产生智慧生命的行星。不幸的是，我们自身的存在无法告诉我们太多关于地球之外生命的可能性：因此在某种程度上，这就像一个“空谷回声”。

除非祈求有异常的人为情况，否则很难证明地球生命有全然的特殊性。

这些研究向我们生动地展示，假如我们在宇宙中找到另一种生命，我们的认知会经历多么巨大的改变。行星上每十亿年生命自然产生的可能性将提升到十分之一甚至更高。但是宇宙的年龄还只有 138 亿年，这非常重要！突然间，我们的星系就将塞满生命。

我们是充斥整个宇宙的碳基生命标准样本吗？简而言之，我们不知道。但是我还想告诉你一些事：科学向我们展示，任何生命在某种意义上都远不是一种平庸的产物。

星际反应链：一幅展示 H3+ 引发连锁反应的“新古典”图。星际云中的分子氢 H2（底部）在宇宙射线的作用下变成了 H3+。垂直方向呈现了随后可能出现的化学反应，期间有更多的氢和碳原子加入，而这二者在太空中含量丰富。分枝表示更复杂的化学反应和化合物。这个反应网能产生酒精或氰化物，它们可能是生物出现前地球化学环境必不可少的一部分。来源：Ben McCall（芝加哥大学 2001 年博士论文）

与宇宙同在

有一件非常古老，非常深刻，也非常重要的事，它也许会挑战我们对平庸的概念。

我们是宇宙物质累积的产物。38 亿年前坠落在地球上的物质变成了你身体的一部分。它可能是你体内少量的碳、氧或氮原子，或是分子中的氢原子核。原初物质就是这些东西，它们是此前 100 亿年炽热大爆炸的遗留物，是宇宙物质和反物质湮灭后所剩十亿分之一残渣的一小片。

我们体内的重元素来自恒星“消化道”。它们在恒星内核 1000 万度的高温中锻造而成。这些小小的物质团块深藏在数百万英里深的炽热等离子体外衣下，最终在足以照亮整个星系的超新星爆发中被抛撒到星际空间。它们在太空中冷却后，栖息在星云中，最终又在引力的无情拥抱下再次跌入围绕着婴儿恒星的物质旋涡。只要恒星足够大，一次这样的过程便能制造出少量重元素。而在经历了许多代后，宇宙中的重元素便会多到足以形成我们的行星世界和人类。在这个家谱中，我们位于最末端。

在我们行星诞生的时期，这些元素首先来自巨大的原初碰撞，以及随后的金属雨、石块雨和冰雨。在接下来的数十亿年间，原子的经历各不相同。一些被带到了海洋和大气中，一些在四处漂移的行星外壳里，隔绝在逐渐冷却的矿物内。它们在漫长的岁月中被不计其数的微生物进行了加工——或被携带在身，或供化学反应短暂使用后随手丢弃。

它们中有些与其他生物合作共存：昆虫、植物、动物 ——各种各样的生命轨迹。而有一些，经过你的母亲、你母亲的食物、你的食物、你呼吸的空气、你饮用的水，成为了你体内器官的一部分。

但是，假如宇宙的少数基本物理常量和初始特性有细微变化，那么星系、恒星、重元素、无处不在的碳分子，以及生命本身的形成方式，都将被摧毁。例如，精细结构常量决定了原子的大小和行为。如果它稍大或稍小，类似行星这样的天体就无法形成，也不会有化学运作机理。假如引力的强度稍大，那么所有的恒星都会变成蓝巨星，类似地球的行星将无法存在。假如引力强度稍小，那么所有的恒星都会变成红矮星，宇宙中也将几乎不含重元素。

还有其他许多显而易见的巧合。碳元素在恒星中的产生，依赖于一种特定的、谐振的、处于激发态的碳 12 原子核，一种不寻常的稳态铍，以及氧 16 原子核的特性。没有这些元素的共同作用，就不会有碳产生。没有碳，就不可能有生命。另外，我们之所以能够发现这一切，同样也是缘于一种令人惊诧的巧合。

这种看法导致了“人择原理”的出现——人择原理认为我们的出现与宇宙有相关性。（实际上并非只是我们，而是任何生命的出现。因此说“人择”有点自私，这个原理的命名不太确切）。它有不同的变种。一个较“弱”的版本说得最直接：它认为这种显而易见的精确调试是一种选择性偏好，如果不是这样，那我们就不可能站在这里，也不可能对它进行研究。弱人择原理是多元宇宙的早期论据，它巧妙地回避了为什么宇宙会是这样，并在基本物理层面与多元宇宙论联系了起来。我们只是存在于一个适合生命存在的宇宙中而已。而“强”人择原理走得更远，它认为一个切实存在的宇宙无论如何都会产生像我们这样的生命——因为它别无选择。

还有一种思想，甚至认为生命是我们这个宇宙的最终结果或表现，浩瀚太空本身所具有的完美复杂性与我们的存在是相适合的。实际上后来伟大的物理学家 John Wheeler 曾思考过信息是否存在于所有物理学的根源。一种结果可能是意识本身也是基于信息构建的，它是现实的关键要素，因此我们的宇宙是一个参与性宇宙，意识可以影响现实。

在大多数情况下，生命与我们宇宙基本特点的连通性，以及“人择原理”，都是与哥白尼世界观背道而驰的，因此可能会令人不适。但是它们拓展了所谓生命“相似性”的思考范围。地球以外的生命可能也是碳基的，可能也是由类似的单体结合成的携有信息的复杂化合物，可能也要经历相似的进化选择，可能也和我们一样拥有相同的宇宙巧合。也就是说，我们是一回事。

事实上，已经有人怀疑外星生命是否真的会和我们截然不同。太阳系内的小行星在过去 45 亿年间不断地轰击着行星，每一次相撞都把可能隐藏着微生物的地表物质送入各种各样的轨道“传送带”。火星的碎片会到达地球。地球的碎片会到达火星，甚至会到达遥远的巨行星卫星。大自然很可能已经在太阳系内制造出了混血儿。因此那些更为遥远的生命与我们之间有着某种联系也是有可能的，只不过这座桥梁更为古老。

所以假如我们在地球以外发现了生命，那贝叶斯学派就会有许多工作要做。而我们对于自己重要性的认识，就会随着对宇宙生命本质的确认，而变得更为牢固。另一方面，我们也善于感情用事，一个充满了生命的宇宙会变得非常小。

中间地带：认识到这一点很重要，人类在时空中所处的位置正好能使我们拼凑出宇宙的往事。空间的加速膨胀在过去 15 年间才得以证实，这表明我们可能正巧生存在唯一一个能够正确了解宇宙本质的年代。假如我们在 40 或 50 亿年前，就无法看到这种由暗能量带来的加速现象。数千亿年后空间的膨胀也会使宇宙在我们的视线中消失，夜空中将不再有星系，连宇宙背景辐射也会被抹去。那时恒星的演化会在深层次上改变元素的存在状态，原初核反应的证据会被清除，对宇宙大爆炸进行推断将成为一种奢望。

独特性和重要性

我们一直在纠缠两个截然不同的问题：独特性和重要性。独特性比较容易理解。对于天体生物学家来说，独特性也许可以定义为地球及地球生命与其他地方的差异。而灵长类动物学家则可能会把独特性定义为能够将我们与其他进化近亲区别开来的特征。对于计算机科学家来说，独特性可以被定义为我们处理和存储信息的特定方式。无论在哪个例子中，答案可能并不简单，但总会取得进展。

在我自己的领域，天文学家和系外行星学家实际上已经开始构建针对我们独特性的量化评估方式了，这种评估建立的基础是外星天体系统的宜居程度。未来 10 年内，詹姆斯·韦伯太空望远镜将会告诉我们邻近类地行星上是否有生物圈迹象。它能够通过观察穿过行星大气层后的星光光谱来进行探查。新的巨型望远镜也将逐渐从蓝图变成现实，来协助我们完成同样的工作。

而重要性比较微妙，但同时天文学也能够为这个问题提供专有看法。毫无疑问，获知星系及宇宙整体的生命存在率意义重大。我们正在逐步完善这个问题，我们正在探寻，什么样的细节特性对应什么样的生命丰富性，而不仅仅是了解多大的差异会让生命灭绝。

无论这些工作足够与否，对于我们人类而言，重要性都是一个情感问题，它意味深长。它可能与我们的家园、我们的行星、我们的宇宙有关，也可能与我们自身有关，与我们在宇宙中的地位有关。换句话说，就是大自然是否在乎我们。但是科学对此似乎无能为力，至少现在是这样，而且它所作的任何猜想都可能不会让我们开心。科学已经告诉我们，尽管我们在宇宙中的存在方式是如此地引人入胜而意味深远——我们还是应该好好地考虑哥白尼理论中那种不断变小的重要性。

那我们的命运是否已经被科学锁定？当然不是。无论科学告诉我们什么（其实也是经常因为它告诉了我们什么），我们都有能力把重要性掌握在自己手中。太阳系和其他恒星系统为我们展现了巨大的探索和宜居前景。尽管我们穿越星际空间前往姊妹世界仍然存在巨大的障碍，但没有什么是明显不可能的。

即便我们只满足于将机器人替身送入宇宙，我们也有机会改变重要性方程式的平衡。通过拓展我们的存在方式，我们不仅可以拓展物种生存的极限，而且还有机会修改“我们在宇宙中的地位”这个基本问题的答案。我们能够使自己变得更为重要。

——星光天文网

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