文匯報(bào)科技文摘2019-11-17

“宇宙”再次成為今年的科學(xué)熱詞之一。10月初，2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了“為理解宇宙演化以及地球在宇宙中的位置作出貢獻(xiàn)”的三位天文學(xué)家：詹姆斯·皮布爾斯、米歇爾·馬約爾和迪迪?！た逅?；10月末，在第二屆世界頂尖科學(xué)家論壇上，馬約爾和迪迪埃又不約而同地發(fā)問(wèn)：除了地球之外，宇宙中的其它星球還存在生命嗎？     

       迄今為止，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了4000多顆系外行星，都未尋找到地外生命的存在。但迪迪?！た迤澘隙ǖ乇硎?，人類極有可能在未來(lái)30年之內(nèi)探測(cè)到外星生命，并在未來(lái)100年內(nèi)了解它們。如果果真如此，那么人類又將何去何從？

       寒潮編譯     

       無(wú)線電波信號(hào)和外星生物指紋

       在浩瀚的宇宙中，人類是否形單影只？數(shù)千年來(lái)，哲學(xué)家們?yōu)榇藸?zhēng)論不休。十六世紀(jì)，意大利天文學(xué)家喬爾丹諾·布魯諾提出，宇宙包含“無(wú)數(shù)與地球類同的世界”。這句違背教義的假設(shè)讓他大禍臨頭。宗教裁判所認(rèn)定布魯諾妄圖質(zhì)疑地球在宇宙中獨(dú)一無(wú)二的地位，最終將其活活燒死在火刑柱上。     

       1961年，天文學(xué)家弗蘭克·德雷克提出了一個(gè)以他本人命名的公式，并據(jù)此估算出宇宙中可能至少存在數(shù)百萬(wàn)個(gè)先進(jìn)文明。     

       在此基礎(chǔ)上，意大利物理學(xué)家恩利克·費(fèi)米提出了著名的“費(fèi)米悖論”，即如果太空中真有數(shù)百萬(wàn)外星文明，為什么至今杳無(wú)音訊？費(fèi)米認(rèn)為，一個(gè)游蕩太空的高智文明能在1億年內(nèi)輕松征服一個(gè)星系。然而，自宇宙誕生138億年以來(lái)，尚無(wú)任何外星殖民者穿越星際來(lái)到地球。對(duì)此，費(fèi)米發(fā)出“靈魂拷問(wèn)”：大家都在哪兒呢？     

       過(guò)去，人類只能望星興嘆。礙于科技手段的限制，即便宇宙中存在生命跡象，我們也能很難對(duì)其精準(zhǔn)定位；即便宇宙中存在宜居星球，我們也無(wú)法在千萬(wàn)里之外對(duì)它們進(jìn)行觀測(cè)。     

       不過(guò)，就在這幾百年間，人類的技術(shù)裝備發(fā)生了質(zhì)的飛躍。二十世紀(jì)初，無(wú)線電技術(shù)的全面推廣更讓科學(xué)家們堅(jiān)信，與外星人交流對(duì)話并非天方夜譚。1972年至1973年，先驅(qū)者10號(hào)與先驅(qū)者11號(hào)無(wú)人駕駛太空探測(cè)器搭載鍍金鋁板升空。這是人類首次向太空發(fā)射“漂流瓶”。八十年代后，全球各國(guó)科學(xué)家們又展開了多次規(guī)模浩大的國(guó)際合作，如“鳳凰計(jì)劃”“突破聆聽項(xiàng)目”等。     

       總體來(lái)說(shuō)，向宇宙發(fā)送“漂流瓶”和針對(duì)性地發(fā)射無(wú)線電波是目前比較常用的兩種星際“通訊”方式。與此同時(shí)，人類還具備了在宇宙中主動(dòng)搜尋信號(hào)的能力。在天文望遠(yuǎn)鏡的幫助下，科學(xué)家們能夠探測(cè)到其他類太陽(yáng)系行星，并通過(guò)分析其大氣成分及星體表面的物質(zhì)，判斷是否有生命體存在。     

       隨著地球科學(xué)的深入發(fā)展，人類對(duì)生命形態(tài)也有了新的認(rèn)識(shí)。此外，人類接收信號(hào)的能力也在突飛猛進(jìn)。如今，我們已經(jīng)掌握了區(qū)分外星文明的信號(hào)與單純的太空雜音的新技能。也就是說(shuō)，只要外星人發(fā)聲，理論上人類就可以接收到這些信號(hào)。     

       但遺憾的是，截至目前，人類還一無(wú)所獲。對(duì)此，很多科學(xué)家都曾嘗試解答。有人說(shuō)，外星人早就來(lái)到地球，只不過(guò)“隱姓埋名”。有人說(shuō)，外星人也許刻意回避我們的世界，因?yàn)榈厍蚓拖褚惶幱钪孢z址，而它們的使命是守護(hù)遺產(chǎn)。也有人直截了當(dāng)?shù)乇硎荆钪嬷袎焊蜎](méi)有外星人。     

       其實(shí)，如果我們從宇宙生物學(xué)的角度進(jìn)行分析的話，外星人存在的概率確實(shí)比較大，只是我們聯(lián)系不上而已。外星文明可能在科技層面領(lǐng)先我們數(shù)百萬(wàn)年，對(duì)它們而言，地球上的人類可能還在用極其原始的手段與他們對(duì)話，就像電訊世界里的一群瓢蟲。     

       然而，科學(xué)家們的希望并未完全落空。無(wú)論是費(fèi)米悖論還是德雷克公式，都有一個(gè)漏洞——兩位科學(xué)家都將目光對(duì)準(zhǔn)了具備通訊、跋涉、殖民能力的高智生命，但可能只有很少一部分生命體符合這樣的條件。如果宇宙中真的存在其他生命，不排除它們會(huì)以另一種形式存在，比如類似地球上的微生物——它們是地球生物圈的主要構(gòu)成者之一，其細(xì)胞數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人體細(xì)胞；又比如類似單細(xì)胞生物，它們雖然構(gòu)造簡(jiǎn)單，卻比多細(xì)胞生物早30多億年占領(lǐng)了地球。     

       如果是這樣，人類要想找到外星生命，就必須改變傳統(tǒng)的“通訊”思路。現(xiàn)在，一種新的尋找方式開始流行起來(lái)：通過(guò)檢測(cè)其他星球的大氣層分子來(lái)尋找生命星球。因?yàn)?，這些分子很可能是由這一星球上的原始微生物“定居者”釋放出來(lái)的，科學(xué)家們將之稱為“外星生物的指紋”。

       外星生物可能與地球生命形態(tài)迥異

       我們不妨先假設(shè)有一其他星系的“天文學(xué)家”正像人類一樣在宇宙中尋找生命星球，當(dāng)這位“天文學(xué)家”把目光落在地球時(shí)，他究竟會(huì)看到些什么呢？     

       首先，最吸引他的一定是地球獨(dú)特的大氣層。在太陽(yáng)系八大行星中，火星、金星和水星完全由礦石組成，唯獨(dú)地球被一圈由氧氣和甲烷組成的大氣層包裹著，其中氧氣占比21%——這恰恰是生命的痕跡！早在23.3億多年前，甚至在比這更早之前，地球上就有一群光合細(xì)菌與植物將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為能量，并輸出氧氣到大氣層，這一過(guò)程叫作“產(chǎn)氧光合作用”，而能“生產(chǎn)”甲烷氣體的產(chǎn)甲烷菌可能在更早之前就已經(jīng)出現(xiàn)在地球上了。     

       上世紀(jì)60年代，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)大氣層中的氧氣和甲烷實(shí)際上互為“克星”：在自然情況下，它們的相遇會(huì)產(chǎn)生“相愛(ài)相殺”的化學(xué)反應(yīng)，根本不可能大量共存于大氣層內(nèi)。這就說(shuō)明，一定有外界因素促使這兩種氣體源源不斷地流入地球大氣層中。反觀其他沒(méi)有生命的星球，它們的大氣層要么只有氧氣，要么只有甲烷。這一發(fā)現(xiàn)為科學(xué)家們提供了新思路：如果在某個(gè)遙遠(yuǎn)的星球上氧氣與甲烷大量共存，那么這個(gè)星球上很可能有生命。此外，地球生命體還能產(chǎn)生多種特殊的分子氣體，比如氯甲烷、二甲基硫、一氧化二氮（俗稱“笑氣”）。這些氣體也能成為追蹤生命跡象的線索。     

       如果一個(gè)星球上不存在任何上述氣體，能不能就此斷定其為不毛之地？也不見得，因?yàn)橥庑巧锏纳娣绞娇赡芘c地球生物截然不同。它們可能生活在地表下沿、巖石內(nèi)部或深海底部。這些地方不容易探測(cè)，但不代表沒(méi)有生命。外星生物的組成方式甚至都可能與地球生物有著天壤之別。比如，外星生物的肌體結(jié)構(gòu)可能由硅元素組成，而地球生物則由碳元素組成；外星生物的新陳代謝也許并不依靠水來(lái)完成，而是借助某種特殊的液體。如果情況復(fù)雜至此，那么科學(xué)家們必須用合成生物學(xué)和替代生物化學(xué)的知識(shí)來(lái)篩選合適的化學(xué)物質(zhì)作為外星人的“指紋”。     

       為此，美國(guó)麻省理工學(xué)院研究員薩拉·西格爾用窮舉法列出所有與組成生命體相關(guān)的分子，并逐一進(jìn)行排查。而她的同事克拉拉·索薩-席爾瓦則將目標(biāo)鎖定在化合氣體磷化氫。研究這種氣體有兩大優(yōu)勢(shì)：一是它很容易被監(jiān)測(cè)到，二是它很難通過(guò)自然化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生。地球上的磷化氫由厭氧菌產(chǎn)生，因此如果在某個(gè)遙遠(yuǎn)的星球上監(jiān)測(cè)到磷化氫，那里很有可能存在厭氧生物。

       地球依舊孤獨(dú)宇宙街區(qū)如此靜謐

       提出假設(shè)本就已經(jīng)很困難，而付諸實(shí)證更是難上加難?？茖W(xué)家們第一步要做的就是確定研究對(duì)象：哪些系外行星的溫度更適宜發(fā)生孕育生命的化學(xué)反應(yīng)？目前通行的方法是觀察系外行星公轉(zhuǎn)至恒星正面時(shí)其亮度的變化，然而這種方式比大海撈針還要困難幾百倍。     

       對(duì)于一些溫度適宜的巖狀行星，科學(xué)家們則通過(guò)鑒定其大氣分子來(lái)尋找生命。比如，當(dāng)恒星發(fā)出的光穿越大氣層射向某一行星時(shí)，這束光的傳播方向能夠反映出行星的大氣構(gòu)成。因?yàn)闅怏w分子對(duì)于不同波長(zhǎng)的光會(huì)產(chǎn)生不同的反應(yīng)，科學(xué)家們只需將天文望遠(yuǎn)鏡采集到的光束按波長(zhǎng)剝離，就能根據(jù)光譜確定行星大氣中是否存在氧氣、臭氧、甲烷、水或二氧化碳等物質(zhì)。     

       為此，天文學(xué)界已經(jīng)制定了初步方案。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）計(jì)劃在2021年發(fā)射詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，這將是人類首次嘗試鑒定系外宜居星球的大氣成分。歐洲空間局則計(jì)劃在2028年啟動(dòng)大氣遙感紅外測(cè)量“阿里爾”（Ariel）任務(wù)。     

       還有一些天文機(jī)構(gòu)嘗試用陸基望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行大氣勘測(cè)。但這必須先排除地球大氣層對(duì)望遠(yuǎn)鏡的干擾，因此難度更大。比如，歐洲南方天文臺(tái)正在智利建造“歐洲極大望遠(yuǎn)鏡”，預(yù)計(jì)將于2025年正式投入使用。這一新式天文望遠(yuǎn)鏡不僅能在采集數(shù)據(jù)時(shí)自動(dòng)減去地球大氣層的影響，還能在數(shù)據(jù)分析時(shí)精確到區(qū)分同位素之間的差異。     

       系外行星研究的突破性進(jìn)展固然可喜，但終究有些遙不可及。相比之下，科學(xué)家們對(duì)與地球毗鄰的太陽(yáng)系行星、衛(wèi)星的研究發(fā)現(xiàn)或許更能給人驚喜。比如，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)“木衛(wèi)二”（木星的天然衛(wèi)星）的冰殼下有液態(tài)海洋，火星則有大量地下水，這些都可能是生命的搖籃。還有人猜測(cè)，外星生物可能正在“土衛(wèi)六”（土星的最大衛(wèi)星）的液態(tài)甲烷湖泊中暢游。     

       雖然研究人員各執(zhí)一詞，研究成果五花八門，但至少可以說(shuō)明地外生命并非科學(xué)幻想。當(dāng)然，光有信心并不足以成事。今后的科學(xué)研究必須做到數(shù)據(jù)更準(zhǔn)、調(diào)查更透、視野更遠(yuǎn)，今后的科學(xué)研究成果也必將顛覆人類對(duì)宇宙以及自身的認(rèn)識(shí)。     

       科幻作家亞瑟·克拉克曾說(shuō)：“只有兩種可能：要么人類在宇宙中形單影只，要么不是。這兩種結(jié)果同樣令人膽寒?！比绻呛笳?，那么人類可能也不過(guò)是宇宙規(guī)律下的一種生命樣式而已，除了分子結(jié)構(gòu)不同，我們與外星生命實(shí)則同根；如果是前者，那么這也就表明，即便是在人類定義的“宜居環(huán)境”里，簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)與孕育生命之間依然存在著不可逾越的鴻溝。人類會(huì)認(rèn)清自身的價(jià)值并不惜一切保護(hù)地球，因?yàn)檫@是我們唯一的家園。