科学家如何寻找外星生命

美国《大西洋》月刊网站9月13日刊登题为《我们应该搜寻“聪明”还是“愚蠢”的外星生物？》的文章，作者是美国罗切斯特大学天体物理学教授亚当·弗兰克。全文摘编如下：

当我们问我们在宇宙中是否独一无二时，我们所说的“独一无二”究竟是什么意思？

寻找外星生命是天文学最宏大的项目之一。但是，搜寻工作涉及许多方面——远比对外星生命感兴趣的任何人可能意识到的要多。搜寻工作的核心问题是，我们要寻找什么样的生命。在地球上，生命的形式和能力各异，地球之外的生命大概也是如此。但为了在宇宙中追踪生命，可以将它们粗略地分为两类：“愚蠢的生命”和“聪明的生命”。“愚蠢的生命”包括微生物和植物等东西，它们能够在行星上迅速繁殖，但不是像人类这样有自我意识、能发明技术的思想家。“聪明的生命”则包括我们人类这样的生物，而我们会创造覆盖全球的技术。

寻找间接痕迹

由于这种笨拙的命名法，我们对微生物、植物甚至大象深表歉意。但这种“愚蠢”与“聪明”生命之间的区别很重要，因为探测这两类生命的方式是不同的。鉴于各恒星之间的遥远距离，即使在不久的将来，我们也不可能指望研究遥远行星的最先进工具能提供外星松树或食蚁兽的实地照片。我们在观测行星时必须寻找生命的间接痕迹。首先是生物标记，比如存在于大气中的氧气和甲烷。这些气体可能只会同时存在，因为生物圈——行星上所有生命的集体活动——会让它们保持在那里。第二是技术标记。大气中存在的复杂工业化学品，或者大面积太阳能电池板的反射光会告诉天文学家，那个遥远的行星上栖息着像我们这样具有技术能力的生物。

为了最大限度地增加我们发现生命的机会，理想的做法是在一颗行星上寻找两种标记。但天文学家有一个巨大的宇宙需要探索，而从事探索的时间和金钱是有限的。由于这些项目需要几十年才能取得成果，科学家必须谨慎选择努力的方向。例如，詹姆斯·韦布空间望远镜——人类最新、最强大的天文台——造价约为100亿美元，可见每一项天文学投入之巨大。到目前为止，在寻找外星生命的过程中，“愚蠢生命”已经胜出。有了美国国家航空航天局（NASA）的可观资助，天文学家过去20年来在弄清楚外星世界可能存在哪些种类的生物标记方面取得了惊人的进展。这一进展正在取得极大的回报，但也可能是有代价的。我们会在发现“聪明生命”的前景方面错失机会吗？

值得记住的是，对地外生命的最初科学搜索是对地外智慧生物的搜索，即“搜寻地外文明计划”（SETI）。1960年，天体物理学家弗兰克·德雷克启动了“奥兹玛计划”，这项实验利用射电望远镜搜寻来自高技术文明的信号。当时，没有人能够想象在围绕着遥远恒星运行的遥远行星上寻找树木、昆虫或微生物的方法。甚至没有人知道这类行星是否存在。尽管几十年来，SETI一直是人类搜寻生命的努力中最值得关注的项目，但它始终受到“玩笑因素”的困扰（一种科学理论如果显得太过荒谬而不值得认真考虑，就具有“高玩笑因素”——本网注）。不止一次，国会议员利用“寻找小绿人”来抨击NASA浪费纳税人的钱。结果，SETI的经费受到了影响。在过去40年的大部分时间里，这一领域只能勉力维持（尽管最近通过“突破聆听”计划获得的资金提供了帮助）。

搜寻生物标记

同时，1995年，搜寻生命的游戏发生了永久性的变化。人们首次发现了围绕类似太阳的恒星运转的行星。天文学家意识到，他们可以通过观测穿过系外行星大气层的星光直接探测各种生物标记。这项叫做“大气特征描述”的技术开发是NASA天体生物学项目的主要成就之一。最近，在该领域一个十年一次的调查中，天文学家将一个天基“生命发现者”望远镜列为经费优先项目之一。在人们忙着探测生物标记之际，谁还想得起技术标记。

生物标记的吸引力是显而易见的。许多天文学家最初认为，生物标记会比技术标记更普遍。毕竟，一颗行星要先演化出生命才可能进化出创造文明的物种。从地球的历史——我们生命之路的唯一参照点——来看，基本生命形式的存在时间显然远远长于技术。地球在超过30亿年前就展示出生物标记了。只是在过去一个世纪左右的时间里，我们才开始提供技术标记。这意味着，地球的技术标记存在的时间只是生物标记存在时间的不足0.00001%。从这个角度来看，技术标记似乎只是可探寻生命这个蛋糕上的糖霜罢了。

然而，问题还有另一个层面，这是简单生命的演化进程无法揭示的。一项新研究阐明了这样一个观点：天文学正在忽视技术标记的价值。这项新研究由宾夕法尼亚州立大学的贾森·赖特领导，我作为NASA资助的技术标记研究小组成员也出了一份力。生物标记的问题在于，它们总是与生物圈——它们的行星——捆绑在一起。生物标记无法离开它们发源地的生物圈。因为这个缘故，如果所有生命明天都从地球上消失了，地球上的大多数生物标记也会迅速消失。例如，我们大气层中的氧气来自地球上的生命。如果地球生命灭绝，大气中的氧气将通过反应回到岩石中，并在“深度时间”的尺度上迅速消失。

换言之，为了发现生物标记，我们必须找到一个充分发挥功能的生物圈。但我们的确不知道生物圈通常能存在多久。我们的生物圈已经存在超过30亿年。但是，生物圈可能以多种方式消亡，这包括，太阳风导致地球丧失大气层，或者地球遭遇小行星严重撞击。一旦生物圈消失，生物标记很可能随之消失。

技术标记就没有这种限制。考虑一下这个事实——太阳系中已经充斥着地球的技术标记。目前有10多个航天器在围绕火星运行或在其表面工作。而这还只是一颗行星。另外数百个航天器正在太阳系中穿行。我们甚至已经让5个航天器飞出太阳系，进入星际空间。我们送入太空的这些机器中的每一件本身就构成了一种有形的技术标记——一种人工制品。更重要的是，所有活跃的航天器都在向太空发射无线电信号。这些信号很微弱，但每个信号仍然构成一个其他物种可能探测到的技术标记。

探测技术标记

同生物标记不同，技术标记会移动，并会长期存在。阿波罗11号登月舱将在月球上停留千百万年，因为那里没有风或水来侵蚀它。想想看，如果当我们用太阳能电池板覆盖月球的一片区域后，我们的文明崩溃了，这些电池板可能在我们消失很久之后仍能被外星观察者看到。同时，在我们寻找生命的过程中，想象存在某个星际文明，它的运输装置经常在不同行星之间往来。发动机尾气、窄波束激光通信甚至垃圾处理——如果这个外星文明燃烧垃圾——都可能成为一种我们能在地球上探测到的信号或标记。所有技术标记都可以从这个外星文明的家园（让我们称之为“技术圈”）传输到很远的地方。外星文明甚至可能利用其所在恒星系中不宜居的行星作为它的工业或能源生产的基地。这样的“服务性行星”——我和同事这样称呼它们——只会产生技术标记，因为它们没有生物圈。

技术标记也是易扩散的。一个文明及其“技术圈”可以产生数以百万计、甚至数以十亿计的物件，每个物件都可以生成可探测的技术标记。想象一下，有一个比我们的文明早数千年、甚至数百万年的文明，不仅可以常规地创建大量发出技术标记的制成品，还可能创造出更多的技术圈。与生物圈不同，技术圈可以通过有意图的太空定居来进行自我复制。由此，想象一下，一些遥远的文明会通过先进的技术产生许多伟大的发明，相较之下，人类目前或许甚至还算不上智能生命。

这里有很多要争辩的地方。例如，在一个具体的层面上，批评人士可能回应说，生物圈也可以通过“胚种”进行复制，在这样一个过程中，包含微生物的岩石因为小行星撞击而流落太空，然后降落在另一颗富饶肥沃的行星上。然而，计算表明，即使在最好的情况下，胚种论的现象也是很少发生的。同时，随着一个进行太空旅行的文明定居到更遥远的行星，它可以在星系各处形成新的技术圈。即便如此，这一切都是猜测。我们还没有发现地外生命，所以我们不知道宇宙中“聪明生命”相对“愚蠢生命”的真实比率是多少。先进的文明或许是异常罕见的，所以发现“愚蠢生命”的可能性更大。对此我没有把握。但话又说回来，还有那么多东西尚未被发现呢。

我们小组的研究可能带来的一种误解是，现在生命搜寻的重点应该转向技术标记。然而，这并不是我们的结论。相反，在回顾过去的偏见和未来的可能性时，我们开始将生物标记和技术标记视为一个连续统一体。到目前为止，科学家们已经设计了各种生命探测工具，以搜寻“聪明的生命”或“愚蠢的生命”。在发现系外行星之后，同样种类的望远镜和这些望远镜附带的同样种类的探测器都已可用于发现这两种生命。观测同一颗行星时，天文学家会在电磁谱的同一部分寻找生物圈和技术圈的各种标记，此时，这两种搜索甚至可以同时进行。

几十年来对技术圈的偏见，包括把它们与“小绿人”和UFO阴谋论联系在一起的“玩笑因素”，已经不再站得住脚。天文学家仍将不得不在有限的资源基础上做出艰难的决定，但这些决定应该仅仅基于具体搜索建议的优势，而不是将生命搜寻工作人为地分成对生物标记或技术标记的搜寻。我们正处在一个非凡的时期。在对外星生命的问题争论了很多年之后，我们终于有能力去寻找答案了。找到任何一种生命——无论愚蠢还是聪明——都将让我们重新认识我们在宇宙中的位置。就让我们去寻找这一切吧。