計(jì)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(xué)怪人和陰謀論者的專利，天文學(xué)家——尤其是那些聰明的天文學(xué)家——一直專注于這個(gè)領(lǐng)域，他們甚至創(chuàng)造出一個(gè)方程來(lái)計(jì)算找到外星文明的可能性。

1961年，美國(guó)天文學(xué)家弗蘭克·德雷克就首先寫(xiě)下了德雷克方程，試圖計(jì)算銀河系中那些活躍的、有著發(fā)達(dá)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(gè)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(jìn)化出智能生命的概率

fc代表智能外星文明用人類可以識(shí)別的科技手段向太空傳播信息的概率

L代表在行星整個(gè)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(xué)、地質(zhì)學(xué)、生物學(xué)以及人類學(xué)，每一個(gè)未知量的存在都以前一個(gè)未知量的存在為前提，邏輯上環(huán)環(huán)相扣，算得上是一個(gè)很聰明的方程式。

德雷克方程提出后，天文學(xué)家在一段時(shí)間里對(duì)這個(gè)式子并沒(méi)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(jì)60年代，天文學(xué)家甚至還不知道太陽(yáng)系外的恒星是否真的擁有行星。其次，德雷克方程寫(xiě)在宇宙大爆炸學(xué)說(shuō)被驗(yàn)證之前，以已經(jīng)偏離天文學(xué)主流理論的恒穩(wěn)態(tài)宇宙模型（恒穩(wěn)態(tài)宇宙模型認(rèn)為，宇宙的過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)基本上處于同一種狀態(tài)，從結(jié)構(gòu)上說(shuō)是恒定的，從時(shí)間上說(shuō)是無(wú)始無(wú)終的）為基礎(chǔ)，天文學(xué)家覺(jué)得R*的數(shù)值難以確定。另外，被德雷克方程所激勵(lì)的“搜尋地外文明計(jì)劃”——用無(wú)線電信號(hào)尋找外星人——也是泥牛入海無(wú)消息，找到外星文明的前景并不樂(lè)觀。

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

計(jì)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(tái)已經(jīng)做了多次全景巡天和深巡天，天文學(xué)家可以簡(jiǎn)單地看清銀河系有多長(zhǎng)、多寬、中心的隆起有多厚，他們通過(guò)觀察就能夠估計(jì)出恒星的數(shù)量，自然不需要去理會(huì)宇宙大爆炸學(xué)說(shuō)了。天文學(xué)家已經(jīng)達(dá)成共識(shí)：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(lè)觀的天文學(xué)家會(huì)傾向于選用一個(gè)最大的數(shù)字——4000億。

2.fp：恒星系具有行星的概率

在過(guò)去的20年中，借助強(qiáng)大的太空望遠(yuǎn)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(guó)航空航天局2009年發(fā)射的開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡，它已經(jīng)明確發(fā)現(xiàn)了超過(guò)130顆系外行星，還探測(cè)到3000多顆有待確認(rèn)的潛在行星。這些新的發(fā)現(xiàn)，給予了天文學(xué)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(xué)家認(rèn)為，恒星系具有行星的概率至少有80%，樂(lè)觀點(diǎn)，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(yáng)的恒星——帶有太陽(yáng)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(shí)候，太大意味著燃燒得太快，以至于恒星進(jìn)入暮年時(shí)生命還沒(méi)來(lái)得及出現(xiàn)。一顆低質(zhì)量的恒星也不保險(xiǎn)，因?yàn)樾『阈强赡懿惶€(wěn)定，它會(huì)時(shí)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(xué)家還要考慮許多問(wèn)題。比如，恒星系中是否有足夠的重元素來(lái)支持生命活動(dòng)，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(wèn)題能夠搞清楚，宜居的標(biāo)準(zhǔn)也是難以判定的——地球當(dāng)然是宜居的，然而在早期的太陽(yáng)系中，地球和金星、火星的自然條件其實(shí)是相似的，但后者現(xiàn)在肯定是一片不毛之地;外太陽(yáng)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(wèn)題都是說(shuō)不清的，天文學(xué)家只能做出一個(gè)保守的估計(jì)：銀河系中至少1/4的恒星可以擁有一個(gè)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(xiàng)乘起來(lái)，天文學(xué)家得到了一個(gè)銀河系中宜居行星的保守?cái)?shù)量：1000億——這是個(gè)不錯(cuò)的數(shù)字。但是，方程中后面的4項(xiàng)才是更大的挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@4項(xiàng)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(duì)于這些問(wèn)題，我們甚至還沒(méi)法給出太陽(yáng)系自身的答案。樂(lè)觀點(diǎn)說(shuō)，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(wàn)分之一或者更糟。

天文學(xué)家可以給“fl”選擇任何一個(gè)數(shù)字——另外一個(gè)隨意的數(shù)字也不見(jiàn)得強(qiáng)多少?；蛟S在未來(lái)的某一天，天文學(xué)家將有能力用望遠(yuǎn)鏡技術(shù)測(cè)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(xué)家認(rèn)為，一個(gè)潛在的宜居世界誕生生命的可能性有萬(wàn)分之一，這就意味著銀河系中可能有1000萬(wàn)個(gè)生命世界存在。

5.fi：生命可以進(jìn)化出智能生命的概率

定義一種生命是否智能其實(shí)是很含糊的，就連頂尖的生物學(xué)家都在爭(zhēng)論：海豚、類人猿或者什么別的動(dòng)物是否是智能的。但是，沒(méi)有人會(huì)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(xì)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(jiǎn)化問(wèn)題，生物學(xué)家可以暫且拋開(kāi)智不智能的爭(zhēng)論，先探討一下高等生命出現(xiàn)的概率。

在第一個(gè)多細(xì)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(xì)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(méi)有這兩個(gè)歷史階段，單細(xì)胞生命就不可能被淘汰，或者它們只能進(jìn)化成更大的單細(xì)胞。但生命有多大的概率會(huì)在發(fā)展的過(guò)程中走出這“兩步”？生物學(xué)家只有地球這唯一一個(gè)“數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)室”。假設(shè)“fi”有千分之一的概率，那么銀河系中會(huì)出現(xiàn)1萬(wàn)個(gè)存在高等生命的世界?？紤]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(gè)新的“地球”。

6.fc：智能外星文明用人類可以識(shí)別的科技手段向太空傳播信息的概率

樂(lè)觀點(diǎn)，fc可以取值為1——這也不見(jiàn)得有多么不合理。

不足1的計(jì)算結(jié)果

7. L：在行星整個(gè)壽命中目前存在外星文明的概率

這是一個(gè)超級(jí)難回答的問(wèn)題。為了讓這個(gè)問(wèn)題有個(gè)相對(duì)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(zhēng)中自我毀滅或者有入侵太空的野心。天文學(xué)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(dāng)然，除了地球之外，沒(méi)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(jì)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(dá)的物種，而且人類發(fā)展現(xiàn)代科技的時(shí)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(shí)間可以占到十萬(wàn)分之一。也就是說(shuō)，即使銀河系中有1萬(wàn)種會(huì)制造飛碟的外星文明，那么它們能夠及時(shí)遇到人類文明的數(shù)量也只有0.1。

根據(jù)這樣的計(jì)算，對(duì)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(gè)數(shù)字當(dāng)然不太準(zhǔn)確，但目前，準(zhǔn)確計(jì)算這個(gè)問(wèn)題是不可能的。

其實(shí)，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(gè)充滿不確定性的公式，還不如積極地用科學(xué)手段去搜索太空，也許，人類很快就會(huì)有驚人的發(fā)現(xiàn)。