對地球1.0我們了解多少？

有一種“稀有地球假設(shè)”理論認(rèn)為，高等生命的演化條件是極端嚴(yán)苛的，像地球這樣的生命天堂有可能在銀河系乃至整個可觀測宇宙中都是“稀有”的。這意味著即便在所謂的地球2.0上，存在高等生命的可能性也是微乎其微的。

盧昌海

稀有地球假設(shè)

北京時間2015年7月24日凌晨，美國國家宇航局（NASA）宣布在距地球約1400光年的一顆類似于太陽的恒星周圍發(fā)現(xiàn)了一顆名為開普勒-452b的行星。這顆被喻為地球2.0的行星有幾個特點(diǎn)引起了人們的濃厚興趣：首先是塊頭比較接近地球——直徑約比地球大60%，質(zhì)量為地球質(zhì)量的5倍左右；其次是它處于自己恒星周圍的所謂的可棲息帶之內(nèi)，這意味著其表面有可能存在被視為生命——尤其是高等生命——所必需的液態(tài)水。

若干年來，人們一直在致力于尋找像地球這樣適合生命居住——甚至已經(jīng)有生命棲居——的行星，NASA的這一發(fā)現(xiàn)是這種努力的一個縮影。在這種努力的背后，則是對地球這個生命天堂是如何形成的思考。在本文中，我們將介紹一種有關(guān)地球1.0的新觀點(diǎn)，它對于全面理解類似發(fā)現(xiàn)地球2.0這樣的新聞發(fā)布會有很大的益處。

2000年，美國古生物學(xué)家瓦德和天文學(xué)家布朗利出版了一本名為《稀有地球》的書，提出了被稱為“稀有地球假設(shè)”的新估計。按照這種新估計，像地球這樣的生命天堂有可能在整個銀河系——甚至整個可觀測宇宙——中都是“稀有”的。

稀有地球假設(shè)是如何得出這一結(jié)論的呢？我們來介紹一下其所認(rèn)為的高等生命的演化所需滿足的主要條件。

持續(xù)可棲息帶

首先是行星的位置——具體地說，是行星離恒星的距離。這一距離直接關(guān)系到行星的表面溫度，進(jìn)而影響到行星表面液態(tài)水的存在與否。這一因素并不是稀有地球假設(shè)所特有的，離恒星太近的行星會太熱，離恒星太遠(yuǎn)的行星會太冷，只有不近不遠(yuǎn)，處于所謂“可棲息帶”中的行星的表面才可能存在液態(tài)水，這是人們早就知道的。不過，稀有地球假設(shè)對這一因素的分析有一個獨(dú)特之處，那就是提出了所謂“持續(xù)可棲息帶”的概念。

什么是持續(xù)可棲息帶呢？顧名思義，就是在高等生命的出現(xiàn)所需的數(shù)十億年的漫長演化時間之內(nèi)，能“持續(xù)”使行星表面存在液態(tài)水的“可棲息帶”。這一概念之所以有必要特意提出，是因?yàn)楹阈潜旧淼墓舛取阈敲棵腌娨噪姶泡椛涞男问剿l(fā)射的能量——是隨時間變化的。以我們的太陽為例，自“長大成人”——進(jìn)入主序星——那會兒算起，它的光度已增加了40%左右。相應(yīng)地，太陽周圍可棲息帶的位置則有了自內(nèi)向外的推移。很明顯，在這樣的變化中，持續(xù)可棲息帶是各個時刻可棲息帶的交集，從而要比任何一個時刻的可棲息帶都更狹窄。比如對太陽系來說，瓦德和布朗利采用的持續(xù)可棲息帶的范圍是從距太陽0.95天文單位到1.15天文單位，寬度僅0.2天文單位。由于持續(xù)可棲息帶很窄，像地球這樣的生命天堂顯然要比原先估計的更加稀有。

可棲息帶或持續(xù)可棲息帶的概念不僅適用于恒星的周圍。星系被認(rèn)為也是有持續(xù)可棲息帶的。比如星系的核心區(qū)域由于星球密度太高，諸如近距離超新星爆發(fā)之類會對生命演化造成滅頂之災(zāi)的突發(fā)事件的發(fā)生頻率將大為增加；星系的外圍則因?yàn)橹卦氐南鄬ο∪?，無法提供生命所需的原材料，都被認(rèn)為是不利于高等生命出現(xiàn)的。因此，在星系中就像在恒星周圍一樣，只有距離中心不近不遠(yuǎn)的區(qū)域才是有可能出現(xiàn)高等生命的。這就是所謂星系的持續(xù)可棲息帶，它的存在進(jìn)一步增加了生命天堂的稀有性。

恒星的大小

高等生命所需的數(shù)十億年的漫長演化對恒星本身也提出了不低的要求。恒星天文學(xué)上有一個基本事實(shí)，那就是恒星越大，壽命——確切地說是主序星生涯的壽命——越短。比如一個質(zhì)量比太陽大50%的恒星的壽命只有35億年左右（太陽的約為100億年），一個質(zhì)量5倍于太陽的恒星的壽命更是只有不足2億年。因此，在大質(zhì)量恒星中，只有質(zhì)量比太陽略大的才有可能提供出現(xiàn)高等生命所需的數(shù)十億年的漫長演化時間。

另一方面，小質(zhì)量恒星雖有“長壽基因”，卻也有自己的麻煩，因?yàn)樗鼈兊某掷m(xù)可棲息帶離它們較近，但近到一定程度之后，持續(xù)可棲息帶內(nèi)的行星就會因?yàn)槭艿胶阈且Τ毕挠绊?，而出現(xiàn)與恒星之間的“潮汐鎖定”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象一旦出現(xiàn)，行星將始終以同一面朝向太陽，使那一面無可避免地出現(xiàn)酷熱、另一面則無可避免地陷入嚴(yán)寒，季節(jié)、晝夜等變化則全都消失，這被認(rèn)為是不利于生物存在，更遑論高等生命的出現(xiàn)的。因此，大有大的問題，小有小的麻煩，在所有恒星之中，只有像太陽這樣“中不溜秋”的恒星才是適合“撫育”高等生命的，這是讓生命天堂稀有的又一個因素。

對氣候的苛求

高等生命所需的數(shù)十億年的漫長演化同時也是對行星氣候的嚴(yán)苛要求。拿地球來說，在她所經(jīng)歷的數(shù)十億年的漫長時間里，比如今很多人所擔(dān)心的有可能在幾十或幾百年內(nèi)造成不可逆危害的溫室效應(yīng)劇烈得多的氣候變化比比皆是，更不用說哪怕極細(xì)微的變化，經(jīng)足夠長時間的累積后也完全有可能造成不可逆的危害——比如導(dǎo)致液態(tài)水的完全喪失。在地球的歷史上，所有這些氣候變化全都化險為夷了，才有了今天生命天堂的盛景。這種維持?jǐn)?shù)十億年的細(xì)致平衡也被認(rèn)為是高度稀有的。

說到了氣候，自然也得說說“氣”，即大氣層。一個行星要想長期保住一個足夠濃密的大氣層，本身也是有條件的，比如質(zhì)量不能太小，否則引力太弱，哪怕一度有過大氣層，也會像窮漢保不住美貌妻子一樣慢慢因氣體分子的逃逸而喪失。另一方面，按我們?nèi)缃駥π行堑睦斫?，?dāng)它的質(zhì)量大到一定程度后，又會因引力太強(qiáng)而在吸積過程中自然而然地變成氣態(tài)巨行星，那被認(rèn)為也是不適合高等生命的。因此，高等生命的出現(xiàn)要求行星的質(zhì)量“不大不小”。

把這些有關(guān)恒星和行星的條件綜合起來看，煉成像地球這樣的生命天堂確實(shí)是很不容易的。但這還不是故事的全部，因?yàn)橄∮械厍蚣僭O(shè)還引進(jìn)了一些初看起來并不重要，甚至跟高等生命的出現(xiàn)風(fēng)馬牛不相及的因素。

月球與木星

比如以地球?yàn)槔?，月球就是這樣一個因素。稀有地球假設(shè)的支持者們提出：月球的存在對于維持地球自轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定有著重要影響，因?yàn)橐恍┨煳膶W(xué)家的模擬計算表明，倘若沒有月球，地球自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)軌道平面的夾角將難以維持穩(wěn)定，而將在從0°到85°甚至90°的大范圍內(nèi)變動。這不僅將破壞四季變化的穩(wěn)定，破壞生物對季節(jié)的適應(yīng)，而且還有更嚴(yán)重的后果。因?yàn)楫?dāng)夾角接近90°時，地球幾乎是“躺倒”著自轉(zhuǎn)的，當(dāng)自轉(zhuǎn)軸指向太陽時，幾乎整個北半球都將經(jīng)歷長達(dá)數(shù)月的連續(xù)白天，南半球則相反，是長達(dá)數(shù)月的連續(xù)黑夜，起碼就陸地氣候而言，這將導(dǎo)致一邊酷熱、一邊嚴(yán)寒的局面。當(dāng)自轉(zhuǎn)軸背向太陽時，則南北互換，但同樣是一邊酷熱，一邊嚴(yán)寒。這種極端氣候?qū)ι铩绕涫顷懙厣铩纳婧脱莼斐蓢?yán)重困難。

更嚴(yán)苛的是，月球之所以能對地球自轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定起到重要影響，是因?yàn)樗惡鯇こ５卮蟆聦?shí)上，它是太陽系衛(wèi)星之中相對于行星而言最大的。不僅如此，按照目前最流行的觀點(diǎn)，月球乃是起源于地球演化早期——約45億年前——的一次超級碰撞，碰撞的雙方一方是正在成長中的原地球，另一方是一個差不多有火星那么大的超級“隕石”。如此規(guī)模的碰撞，并由此而產(chǎn)生如此巨大的衛(wèi)星是相當(dāng)稀有的。假如高等生物的出現(xiàn)有賴于行星自轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定，而后者又有賴于稀有碰撞產(chǎn)生的巨大衛(wèi)星，它本身自然也就相當(dāng)稀有了。

除月球外，稀有地球假設(shè)的支持者們還把目光盯到了木星上，認(rèn)為這個行星“老大哥”對地球上的高等生命起到了近乎“保護(hù)神”的作用。因?yàn)閷Φ厍蛏淖畲笸{之一乃是大質(zhì)量隕星的撞擊，假如那樣的滅絕事件過于頻繁，需要數(shù)十億年漫長演化的高等生命就很可能沒有機(jī)會產(chǎn)生。而木星的巨大引力場被認(rèn)為能夠相當(dāng)有效地掃清太陽系空間里的隕石，從而保護(hù)了地球上的生命演化。

奇妙的是，木星的這種保護(hù)還不能太過分，即不能離地球太近，否則不僅有可能干擾地球公轉(zhuǎn)軌道的穩(wěn)定（從而直接影響到地球表面溫度的穩(wěn)定），甚至還可能造成更嚴(yán)重的后果：阻止地球的形成！因?yàn)槟拘堑木薮笠鲇锌赡軗寠Z掉形成地球所需的“原材料”，使地球成為一個小得多的行星（從而既不會有磁場，也保不住大氣層），甚至像木星近旁的小行星帶那樣根本凝聚不成單一的行星。

不無爭議的假設(shè)

毫無疑問，稀有地球假設(shè)所描繪的圖景對于偏好《星球大戰(zhàn)》和《星際迷航》那樣到處有智慧生物的科幻迷們來說是頗為黯淡的。這個圖景究竟有幾分可信呢？現(xiàn)在還很難回答。因?yàn)樵谀壳斑@個階段，別說高等生命，在地球以外哪怕原始生物都尚未被發(fā)現(xiàn)，因此起碼從直接證據(jù)的角度講稀有地球假設(shè)所涉及的乃是一個空白領(lǐng)域，甚至在可預(yù)見的將來都有可能維持空白。

不過，從理論上講還是大有探討余地的。事實(shí)上，對稀有地球假設(shè)的每一個推理環(huán)節(jié)，都有科學(xué)家提出了異議。接下來，我們就按照與上文相同的順序，對稀有地球假設(shè)所考慮的每個因素逐一介紹異議。通過這種介紹，我們不但可以對稀有地球假設(shè)有更多了解，還可以看到科學(xué)并不僅僅是一系列定律或定理的集合，而是包含了大量爭議?？茖W(xué)是在爭議中尋找前行道路的。

首先來看看持續(xù)可棲息帶這一概念。這一概念當(dāng)然是不無道理的，出現(xiàn)高等生命所需要的長期穩(wěn)定的環(huán)境確實(shí)要求行星長期處于可棲息帶之中。但持續(xù)可棲息帶的范圍有多大卻是有爭議的問題。以太陽系中的持續(xù)可棲息帶為例，一些新近研究已經(jīng)對它的范圍作出了修正，使它的寬度從原先的0.2天文單位增加到了0.45天文單位，比太陽系四顆類地行星的不到0.4天文單位的平均間距還大。在這種情況下，太陽系四顆類地行星全都位于持續(xù)可棲息帶之外反倒是稀有了。雖然我們對其他恒星周圍的行星分布還了解得很少，但越來越多太陽系以外的行星被發(fā)現(xiàn)，已使得人們越來越不認(rèn)為太陽系具有特異性，從而其他恒星周圍有類地行星落在持續(xù)可棲息帶內(nèi)也未必稀有。

針對持續(xù)可棲息帶的這種異議是有一定代表性的，它雖然不能排除稀有地球假設(shè)所考慮的因素，卻顯示出那因素并非真正稀有。接下來我們還將反復(fù)看到這種類型的異議。

星系的持續(xù)可棲息帶就是這種異議的又一個例子。雖然這方面的分析同樣不無道理，但在星系這種巨大尺度上，哪怕籠統(tǒng)看起來不適合高等生命的區(qū)域，也完全可以局部地具備出現(xiàn)高等生命的條件，因此星系的持續(xù)可棲息帶是并不嚴(yán)格的。退一步說，即便把星系的持續(xù)可棲息帶以外的區(qū)域嚴(yán)格排除掉，也并不構(gòu)成一個很稀有的因素，因?yàn)槭Ｏ碌膮^(qū)域仍包含了10%左右的恒星。類似地，恒星大小方面的限制也不是一個很稀有的因素，據(jù)估計，滿足限制的恒星約有20%，從而也并不很稀有。

行星氣候方面的因素又如何呢？維持?jǐn)?shù)十億年的細(xì)致平衡聽起來確實(shí)嚴(yán)苛，實(shí)際上卻也有不那么嚴(yán)苛的可能性。最關(guān)鍵的一點(diǎn)是：假如行星氣候的變化存在負(fù)反饋機(jī)制，則情形就會大不相同。因?yàn)樨?fù)反饋機(jī)制會自動對氣候變化進(jìn)行反向校正，可以大大降低失控的概率。這種負(fù)反饋機(jī)制沒什么理由認(rèn)為是地球特有的，則長期穩(wěn)定的氣候也就未必有想象的那么稀有了。

至于作為氣候之源的大氣層所要求的行星質(zhì)量的“不大不小”，則顯然是又一個并不真正稀有的因素——因?yàn)樵谔栂档乃念w類地行星里，保有濃密大氣層的行星除地球外就還有金星，兩者合計占了類地行星數(shù)目的50%。

風(fēng)馬牛不相及

最后，那些貌似跟高等生命的出現(xiàn)風(fēng)馬牛不相及，但被稀有地球假設(shè)引進(jìn)來的因素經(jīng)過另一些天文學(xué)家的研究，也顯示出它們有可能確實(shí)就是“風(fēng)馬牛不相及”的東西。

比如月球，它對于維持地球自轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定確實(shí)是有作用的，但被稀有地球假設(shè)忽視的是：這種作用是跟地球的自轉(zhuǎn)快慢有關(guān)的。模擬計算表明，假如地球的自轉(zhuǎn)周期不是現(xiàn)在的24小時左右，而是12小時或更短，那么哪怕沒有月球，自轉(zhuǎn)軸方向的變化范圍也會小得多。更“吊詭”的是，從某種意義上講，地球的自轉(zhuǎn)原本確實(shí)是更快的，是被月球的引力攝動拖了后腿才變慢的，依照變慢的趨勢反推回去，在距今25億-40億年前的太古代，地球的自轉(zhuǎn)周期本就在12小時左右。假如月球從那時起就不曾存在過，地球的自轉(zhuǎn)周期將維持在12小時左右，本來也不太需要月球來維持自轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定。更何況，就算地球自轉(zhuǎn)軸的方向果真在大范圍內(nèi)變化，是否就一定不能出現(xiàn)高等生命，本身也是不無爭議的。

再談?wù)勀拘?，這個被稀有地球假設(shè)抬到“保護(hù)神”位置上的行星“老大哥”按另一些天文學(xué)家的看法，其實(shí)有一些“成事不足，敗事有余”的意味。比如距今約6,500萬年前的恐龍滅絕事件被認(rèn)為很可能是隕星撞擊地球造成的，那隕星來自何方呢？有人認(rèn)為是來自小行星帶。對此，木星是脫不了干系的，它的引力攝動被認(rèn)為是使小行星脫離原先軌道與地球相撞的“幕后推手”。不僅如此，作為風(fēng)險源的整個小行星帶的存在都很可能是木星的巨大引力造成的。從這個意義上講，木星在充當(dāng)“保護(hù)神”的同時，很可能也是地球上很多災(zāi)變事件的肇事者，它的功過和作用是很難一概而論的。

小樣本問題

如果小結(jié)一下的話，那么稀有地球假設(shè)可以說是反復(fù)而系統(tǒng)地使用了“擇壞原則”——這是我杜撰的術(shù)語，指的是在所有可能性中優(yōu)先選擇不利的可能性。這是比我們常用的“折中原則”更不可靠的做法，因?yàn)樵诓坏貌蛔鞒龈怕市蕴暨x的因素中，一般來說是“中間”的概率較大，兩端——無論是“壞”端還是“好”端——的概率較小，“擇壞原則”是系統(tǒng)性地?fù)袢×烁怕瘦^小的選項，可以說是相當(dāng)靠不住的。

另外，稀有地球假設(shè)還有另一個很大的系統(tǒng)性缺陷，那就是迄今為止關(guān)于生命我們只有一個“樣本”，那就是地球上的生命。

任何學(xué)過統(tǒng)計的人都知道，依據(jù)小樣本進(jìn)行推理是魯莽的。比如我們?nèi)魪奈匆娺^水生生物，也許很難想象有些生物居然可以待在水下而不會像我們一樣被淹死。當(dāng)然，地球生物的多樣性使我們知道生物既可以生活在水里，也可以生活在陸地上，因此不會有這個思維死角，但地球生物雖然多樣，卻都是在適應(yīng)地球環(huán)境的過程中繁衍出來的，把這種多樣性放在浩瀚的宇宙中算不算得上足夠“多樣”？恐怕不是一個容易回答的問題。