科學家如何尋找外星生命

參考訊息網10月26日報道

美國《大西洋》月刊網站9月13日刊登題為《我們應該搜尋“聰明”還是“愚蠢”的外星生物？》的文章，作者是美國羅切斯特大學天體物理學教授亞當·弗蘭克。全文摘編如下：

當我們問我們在宇宙中是否獨一無二時，我們所說的“獨一無二”究竟是什麼意思？

尋找外星生命是天文學最宏大的專案之一。但是，搜尋工作涉及許多方面——遠比對外星生命感興趣的任何人可能意識到的要多。搜尋工作的核心問題是，我們要尋找什麼樣的生命。在地球上，生命的形式和能力各異，地球之外的生命大概也是如此。但為了在宇宙中追蹤生命，可以將它們粗略地分為兩類：“愚蠢的生命”和“聰明的生命”。“愚蠢的生命”包括微生物和植物等東西，它們能夠在行星上迅速繁殖，但不是像人類這樣有自我意識、能發明技術的思想家。“聰明的生命”則包括我們人類這樣的生物，而我們會創造覆蓋全球的技術。

尋找間接痕跡

由於這種笨拙的命名法，我們對微生物、植物甚至大象深表歉意。但這種“愚蠢”與“聰明”生命之間的區別很重要，因為探測這兩類生命的方式是不同的。鑑於各恆星之間的遙遠距離，即使在不久的將來，我們也不可能指望研究遙遠行星的最先進工具能提供外星松樹或食蟻獸的實地照片。我們在觀測行星時必須尋找生命的間接痕跡。首先是生物標記，比如存在於大氣中的氧氣和甲烷。這些氣體可能只會同時存在，因為生物圈——行星上所有生命的集體活動——會讓它們保持在那裡。第二是技術標記。大氣中存在的複雜工業化學品，或者大面積太陽能電池板的反射光會告訴天文學家，那個遙遠的行星上棲息著像我們這樣具有技術能力的生物。

為了最大限度地增加我們發現生命的機會，理想的做法是在一顆行星上尋找兩種標記。但天文學家有一個巨大的宇宙需要探索，而從事探索的時間和金錢是有限的。由於這些專案需要幾十年才能取得成果，科學家必須謹慎選擇努力的方向。例如，詹姆斯·韋布空間望遠鏡——人類最新、最強大的天文臺——造價約為100億美元，可見每一項天文學投入之巨大。到目前為止，在尋找外星生命的過程中，“愚蠢生命”已經勝出。有了美國國家航空航天局（NASA）的可觀資助，天文學家過去20年來在弄清楚外星世界可能存在哪些種類的生物標記方面取得了驚人的進展。這一進展正在取得極大的回報，但也可能是有代價的。我們會在發現“聰明生命”的前景方面錯失機會嗎？

值得記住的是，對地外生命的最初科學搜尋是對地外智慧生物的搜尋，即“搜尋地外文明計劃”（SETI）。1960年，天體物理學家弗蘭克·德雷克啟動了“奧茲瑪計劃”，這項實驗利用射電望遠鏡搜尋來自高技術文明的訊號。當時，沒有人能夠想象在圍繞著遙遠恆星執行的遙遠行星上尋找樹木、昆蟲或微生物的方法。甚至沒有人知道這類行星是否存在。儘管幾十年來，SETI一直是人類搜尋生命的努力中最值得關注的專案，但它始終受到“玩笑因素”的困擾（一種科學理論如果顯得太過荒謬而不值得認真考慮，就具有“高玩笑因素”——本網注）。不止一次，國會議員利用“尋找小綠人”來抨擊NASA浪費納稅人的錢。結果，SETI的經費受到了影響。在過去40年的大部分時間裡，這一領域只能勉力維持（儘管最近透過“突破聆聽”計劃獲得的資金提供了幫助）。

搜尋生物標記

同時，1995年，搜尋生命的遊戲發生了永久性的變化。人們首次發現了圍繞類似太陽的恆星運轉的行星。天文學家意識到，他們可以透過觀測穿過系外行星大氣層的星光直接探測各種生物標記。這項叫做“大氣特徵描述”的技術開發是NASA天體生物學專案的主要成就之一。最近，在該領域一個十年一次的調查中，天文學家將一個天基“生命發現者”望遠鏡列為經費優先專案之一。在人們忙著探測生物標記之際，誰還想得起技術標記。

生物標記的吸引力是顯而易見的。許多天文學家最初認為，生物標記會比技術標記更普遍。畢竟，一顆行星要先演化出生命才可能進化出創造文明的物種。從地球的歷史——我們生命之路的唯一參照點——來看，基本生命形式的存在時間顯然遠遠長於技術。地球在超過30億年前就展示出生物標記了。只是在過去一個世紀左右的時間裡，我們才開始提供技術標記。這意味著，地球的技術標記存在的時間只是生物標記存在時間的不足0。00001%。從這個角度來看，技術標記似乎只是可探尋生命這個蛋糕上的糖霜罷了。

然而，問題還有另一個層面，這是簡單生命的演化程序無法揭示的。一項新研究闡明瞭這樣一個觀點：天文學正在忽視技術標記的價值。這項新研究由賓夕法尼亞州立大學的賈森·賴特領導，我作為NASA資助的技術標記研究小組成員也出了一份力。生物標記的問題在於，它們總是與生物圈——它們的行星——捆綁在一起。生物標記無法離開它們發源地的生物圈。因為這個緣故，如果所有生命明天都從地球上消失了，地球上的大多數生物標記也會迅速消失。例如，我們大氣層中的氧氣來自地球上的生命。如果地球生命滅絕，大氣中的氧氣將透過反應回到岩石中，並在“深度時間”的尺度上迅速消失。

換言之，為了發現生物標記，我們必須找到一個充分發揮功能的生物圈。但我們的確不知道生物圈通常能存在多久。我們的生物圈已經存在超過30億年。但是，生物圈可能以多種方式消亡，這包括，太陽風導致地球喪失大氣層，或者地球遭遇小行星嚴重撞擊。一旦生物圈消失，生物標記很可能隨之消失。

技術標記就沒有這種限制。考慮一下這個事實——太陽系中已經充斥著地球的技術標記。目前有10多個航天器在圍繞火星執行或在其表面工作。而這還只是一顆行星。另外數百個航天器正在太陽系中穿行。我們甚至已經讓5個航天器飛出太陽系，進入星際空間。我們送入太空的這些機器中的每一件本身就構成了一種有形的技術標記——一種人工製品。更重要的是，所有活躍的航天器都在向太空發射無線電訊號。這些訊號很微弱，但每個訊號仍然構成一個其他物種可能探測到的技術標記。

探測技術標記

同生物標記不同，技術標記會移動，並會長期存在。阿波羅11號登月艙將在月球上停留千百萬年，因為那裡沒有風或水來侵蝕它。想想看，如果當我們用太陽能電池板覆蓋月球的一片區域後，我們的文明崩潰了，這些電池板可能在我們消失很久之後仍能被外星觀察者看到。同時，在我們尋找生命的過程中，想象存在某個星際文明，它的運輸裝置經常在不同行星之間往來。發動機尾氣、窄波束鐳射通訊甚至垃圾處理——如果這個外星文明燃燒垃圾——都可能成為一種我們能在地球上探測到的訊號或標記。所有技術標記都可以從這個外星文明的家園（讓我們稱之為“技術圈”）傳輸到很遠的地方。外星文明甚至可能利用其所在恆星系中不宜居的行星作為它的工業或能源生產的基地。這樣的“服務性行星”——我和同事這樣稱呼它們——只會產生技術標記，因為它們沒有生物圈。

技術標記也是易擴散的。一個文明及其“技術圈”可以產生數以百萬計、甚至數以十億計的物件，每個物件都可以生成可探測的技術標記。想象一下，有一個比我們的文明早數千年、甚至數百萬年的文明，不僅可以常規地建立大量發出技術標記的製成品，還可能創造出更多的技術圈。與生物圈不同，技術圈可以透過有意圖的太空定居來進行自我複製。由此，想象一下，一些遙遠的文明會透過先進的技術產生許多偉大的發明，相較之下，人類目前或許甚至還算不上智慧生命。

這裡有很多要爭辯的地方。例如，在一個具體的層面上，批評人士可能迴應說，生物圈也可以透過“胚種”進行復制，在這樣一個過程中，包含微生物的岩石因為小行星撞擊而流落太空，然後降落在另一顆富饒肥沃的行星上。然而，計算表明，即使在最好的情況下，胚種論的現象也是很少發生的。同時，隨著一個進行太空旅行的文明定居到更遙遠的行星，它可以在星系各處形成新的技術圈。即便如此，這一切都是猜測。我們還沒有發現地外生命，所以我們不知道宇宙中“聰明生命”相對“愚蠢生命”的真實比率是多少。先進的文明或許是異常罕見的，所以發現“愚蠢生命”的可能性更大。對此我沒有把握。但話又說回來，還有那麼多東西尚未被發現呢。

我們小組的研究可能帶來的一種誤解是，現在生命搜尋的重點應該轉向技術標記。然而，這並不是我們的結論。相反，在回顧過去的偏見和未來的可能性時，我們開始將生物標記和技術標記視為一個連續統一體。到目前為止，科學家們已經設計了各種生命探測工具，以搜尋“聰明的生命”或“愚蠢的生命”。在發現系外行星之後，同樣種類的望遠鏡和這些望遠鏡附帶的同樣種類的探測器都已可用於發現這兩種生命。觀測同一顆行星時，天文學家會在電磁譜的同一部分尋找生物圈和技術圈的各種標記，此時，這兩種搜尋甚至可以同時進行。

幾十年來對技術圈的偏見，包括把它們與“小綠人”和UFO陰謀論聯絡在一起的“玩笑因素”，已經不再站得住腳。天文學家仍將不得不在有限的資源基礎上做出艱難的決定，但這些決定應該僅僅基於具體搜尋建議的優勢，而不是將生命搜尋工作人為地分成對生物標記或技術標記的搜尋。我們正處在一個非凡的時期。在對外星生命的問題爭論了很多年之後，我們終於有能力去尋找答案了。找到任何一種生命——無論愚蠢還是聰明——都將讓我們重新認識我們在宇宙中的位置。就讓我們去尋找這一切吧。