編者按：
行星是如何形成的？地球是獨(dú)一無(wú)二的嗎？我們能找到地外生命嗎？科學(xué)家們仰望星空，心懷宇宙，深邃的思考直達(dá)生命的本質(zhì)。12月16日，美國(guó)藝術(shù)與科學(xué)院院士、國(guó)際著名理論天體物理學(xué)家林潮教授在清華大學(xué)天體物理中心舉辦的一場(chǎng)公眾講座上，詳細(xì)解讀了行星起源與地外生命的搜尋之謎?！百愊壬豹?dú)家奉送報(bào)告精華內(nèi)容，共享科學(xué)之勝。
林潮（加州大學(xué)圣克魯茲分校教授）
如何找到類(lèi)地行星？
各位老師、各位同學(xué)、各位來(lái)賓，今天我非常開(kāi)心，能夠跟大家分享一些天文學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)。
今天來(lái)了很多小朋友，而我們小的時(shí)候，最先遇到的一個(gè)問(wèn)題可能就是，生命從何而來(lái)？在我們身邊，到處都有豐富多彩的生命，所以我們也想知道，在地球以外，乃至太陽(yáng)系的周?chē)欠褚灿猩?。為此，人?lèi)做了各種各樣的探索：到月亮上、到木星的衛(wèi)星上、到水星的衛(wèi)星上。在這些地方，我們看到了很多與地球相似的生命特征，比如地面有水，溫度也跟地球差不了太多，但是幾十年的探索下來(lái)，到今天為止，人類(lèi)還是沒(méi)有在地球以外、太陽(yáng)系以內(nèi)的地方發(fā)現(xiàn)生命存在的跡象，甚至在被寄予了最大希望的火星上，迄今都還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)生命的遺跡。
所以科學(xué)界就想到，是不是能夠走出太陽(yáng)系去看看有沒(méi)有智慧生命，但一個(gè)很大的問(wèn)題是，如何尋找智慧生命，因?yàn)橹腔凵旧砭褪俏粗奈粗覀儾恢涝撜夷男┚€索，該關(guān)注什么信號(hào)。在這種情況下，1961年，美國(guó)的天文學(xué)家Frank Drake想到了一個(gè)按部就班地找尋智慧生命的方法，就是用我們已知的一些條件，去估計(jì)地外生命存在的可能數(shù)量。
比如說(shuō)，估算一下銀河系里有多少顆恒星，在恒星的周?chē)卸嗌賯€(gè)行星系統(tǒng)，行星系統(tǒng)里有多少類(lèi)似地球的行星系統(tǒng)，而在類(lèi)似地球的行星系統(tǒng)里，已經(jīng)演化出生命的概率有多大，這些生命又有多少可以變成有智慧的、已經(jīng)發(fā)展了科技的、能夠與我們通訊的生命，它們又可以維持多久的壽命。
這一思路提出后，人類(lèi)就開(kāi)始了尋找地外生命的行動(dòng)。然而迄今為止，我們都沒(méi)有找到任何可知的跡象。但這一方法啟發(fā)了我們?nèi)绾巫叩教?yáng)系外去尋找生命，就是先看有沒(méi)有適合生存的行星。這就好比如果人們找到了老虎的洞穴，就有可能找到老虎的蹤跡。
那什么跡象才能表明這顆行星是可居住的呢？依據(jù)地球上的條件來(lái)考慮，首先想到的就是地面上要存在液體水。液體水本身并不代表有生命存在，但就地球生命而言，水有重要的作用：一是水是非常好的運(yùn)輸媒體；二是水有三態(tài)，可以把有機(jī)元素集中在一起，然后使它在適溫條件下產(chǎn)生某些化學(xué)作用。
就這樣，人類(lèi)一直苦苦尋找著太陽(yáng)系以外的行星系統(tǒng)，直到近20年來(lái)才陸續(xù)有了些收獲。為什么這么難呢？因?yàn)橐恍┬行歉鼈兊闹骱阈潜绕饋?lái)，光是非常微弱的，這要求人類(lèi)有非常高精確度的測(cè)量工具。一是要能分解出這顆行星和主星的距離，分解到一角秒那么大的距離；同時(shí)還要辨識(shí)出它的光，而它的亮度只有主星的十億分之一，這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，特別是對(duì)地面觀測(cè)而言，因?yàn)榇髿鈱永镉泻芏嗤牧?，這些湍流會(huì)使圖像非常模糊。
近一二十年來(lái)，人類(lèi)發(fā)展出了一種名為“自適應(yīng)光學(xué)”的技術(shù)，這種技術(shù)包括把一束激光打到離地面90公里高的地方，造出一個(gè)人工的光點(diǎn)。然后我們?cè)跍y(cè)量器里看這個(gè)點(diǎn)，看看它是不是已經(jīng)分化出來(lái)了，這樣就可以把整個(gè)大氣層形成的微擾消除掉。不過(guò)到今天為止，我們用這個(gè)方法也仍然沒(méi)能發(fā)現(xiàn)地球這么大的行星。
第二個(gè)方法是1995年取得的重大突破，是由兩名瑞士科學(xué)家提出的用“視向速度”來(lái)找系外行星，就是去衡量主星的速度是不是有一些變化。為什么主星的速度會(huì)有變化呢？如果主星周?chē)行行菄@它轉(zhuǎn)的話，就會(huì)影響主星的運(yùn)行速度，所形成的多普勒效應(yīng)會(huì)使它的波長(zhǎng)上上下下地改變一些，但這個(gè)改變是非常非常小的，需要有非常高的觀測(cè)精確度。至少到現(xiàn)在為止，我們沒(méi)辦法做到一根線一根線地衡量。因此這兩名科學(xué)家發(fā)明了一個(gè)方法，就是把它擺到一個(gè)鏡子里邊，用光學(xué)梳的辦法，使人可以同時(shí)觀察幾千條光線。這就好比用一只手在一個(gè)梳子后面左右晃，這時(shí)你就可以在梳子前面同時(shí)看到梳子齒縫里的無(wú)數(shù)條光線的變化。
用這種方法，他們找到了太陽(yáng)系外的第一顆行星。這一發(fā)現(xiàn)是非常意外的，因?yàn)檫@顆行星上上下下的速度使主星的速度每秒變化了50米，但是變化的周期只有4天，這么推測(cè)下來(lái)，可能這顆行星的質(zhì)量和木星差不多（編者注：木星的體積是地球的1316倍），而它和它主星的距離等于地球離太陽(yáng)的1/20，這是大家都沒(méi)有料到的。有了這個(gè)發(fā)現(xiàn)后，我和同事們馬上就開(kāi)始做一些模型去解釋這個(gè)過(guò)程。
第三個(gè)方法有點(diǎn)像觀測(cè)日食和月食的方法，叫做“凌星觀測(cè)”。就是當(dāng)一顆行星經(jīng)過(guò)主星前邊的時(shí)候，會(huì)使主星的光度稍暗一些。如果是一顆木星的話，其主星變暗的光度大約不到百分之一。但如果是地球這么大的行星，就只能使主星暗下來(lái)不到萬(wàn)分之一，所以還是要求非常高精確度的觀測(cè)才能衡量出這些主星的光變。這么高要求的精確度也就是在最近一段時(shí)間——2009年的時(shí)候，才因?yàn)橛辛艘活w新衛(wèi)星而實(shí)現(xiàn)的。這顆新衛(wèi)星是美國(guó)航空航天局（NASA）發(fā)射的一顆科學(xué)衛(wèi)星，名叫“開(kāi)普勒”衛(wèi)星，它發(fā)射出去后找到了差不多3000多顆行星，一下子大大發(fā)展了人類(lèi)尋找系外行星的腳步。
第四個(gè)找系外行星的方法是“微引力透鏡”法。它是由愛(ài)因斯坦的相對(duì)論提出來(lái)的。意思是說(shuō)，當(dāng)行星圍繞主星轉(zhuǎn)的時(shí)候，由于引力的原因，恒星附近的空間會(huì)發(fā)生彎曲，這種彎曲使作為背景光源的恒星發(fā)出的光像通過(guò)透鏡一樣發(fā)生變化，增強(qiáng)它的光度，這樣我們就能在差不多幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間里觀測(cè)到一些行星的跡象。這個(gè)工作的主要貢獻(xiàn)者之一就是今天講座的主持人毛淑德老師（編者注：毛淑德為清華大學(xué)天體物理所所長(zhǎng)、中科院國(guó)家天文臺(tái)星系宇宙學(xué)部主任）。
就這樣，又經(jīng)過(guò)20年的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)行星的了解大大增進(jìn)了。1995年時(shí)，人類(lèi)只知道一兩顆行星，精確度也不是很高，當(dāng)時(shí)能觀測(cè)到的最輕的行星，是像木星那么大的行星。但到了今天，我們已經(jīng)可以觀測(cè)到兩千多顆包括跟地球大小和質(zhì)量都差不多的一些行星了。所以，我們可以開(kāi)始做一些更細(xì)致的工作，如統(tǒng)計(jì)工作，因?yàn)槲覀円赖牟皇且粌深w行星的性質(zhì)，而是這一類(lèi)行星到底都有什么樣的性質(zhì)。
通過(guò)凌星觀測(cè)，我們發(fā)現(xiàn)，在太陽(yáng)系周?chē)囊恍┖阈侵?，木星大小的行星一般只占百分之十幾，而至少有一半的恒星周?chē)加械厍虼笮〉男行?。所以我們現(xiàn)在知道，行星系統(tǒng)是眾多的，幾乎每一顆恒星周?chē)加幸恍┬行牵抑辽儆幸话牒阈侵車(chē)械厍蛸|(zhì)量以上的行星。
另外一個(gè)發(fā)現(xiàn)是這些行星系統(tǒng)的性格特質(zhì)非常多元化，有的跟太陽(yáng)系行星的特點(diǎn)相似，有的則很不一樣。
我們的太陽(yáng)系至少有八大行星，在很多其他的行星系統(tǒng)里，比如說(shuō)在一個(gè)叫“開(kāi)普勒11”的系統(tǒng)里，我們至少觀測(cè)到了六顆行星，通過(guò)觀測(cè)它們的活動(dòng)可以知道它們的公轉(zhuǎn)周期，通過(guò)傾角的角度知道它們基本上還是在同一個(gè)軌道平面上運(yùn)行的。
還有很多我們已知的行星，它們的周期只有幾天、幾個(gè)星期或者幾個(gè)月，而地球的周期大約有一年。我們現(xiàn)在還沒(méi)有足夠高精密度的設(shè)備去探索長(zhǎng)周期的行星，但至少我們知道有很多很多的行星離它們的主星較近，而且有很多行星的軌道是更為橢圓的。另外我們還發(fā)現(xiàn)有一些行星是圍著兩顆恒星旋轉(zhuǎn)的。
現(xiàn)在回想起來(lái)，遠(yuǎn)在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的一些哲學(xué)家也曾思考過(guò)遙遠(yuǎn)的宇宙天象問(wèn)題。不光是屈原在他的《天問(wèn)》里思索過(guò)宇宙星辰，和他同時(shí)代的古希臘著名哲學(xué)家伊壁鳩魯（Epicurus），在給另一名古希臘哲學(xué)家希羅多德（Herodotus）的信里也談到過(guò)：“大千世界，有些像我們，有些不像我們?！倍?dāng)年的這些科幻預(yù)言今天已被人類(lèi)證實(shí)。
有了這些豐富的新知識(shí)，我們就可以開(kāi)始建立一套較為系統(tǒng)的理論了。但系外星系豐富的多元化特征，使得人類(lèi)的工作有點(diǎn)像盲人摸象。因?yàn)槲覀兛吹降暮芏鄸|西，只是在較為片面的情況下看到的。
簡(jiǎn)單總結(jié)一下，我們現(xiàn)在已知的東西主要有兩點(diǎn)，第一是行星系統(tǒng)的普遍存在，第二是各個(gè)行星系統(tǒng)性質(zhì)的多元化。要理解這些現(xiàn)象，需要應(yīng)用的工具也已不是經(jīng)典力學(xué)，而是統(tǒng)計(jì)力學(xué)，就是不但要單獨(dú)研究每一個(gè)系統(tǒng)，而且要系統(tǒng)性地將所有行星作為一個(gè)整體樣本來(lái)研究。
行星的性質(zhì)為什么有多元化的特點(diǎn)？是因?yàn)槠溟g發(fā)生了很多復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程，最終的結(jié)果是，行星系統(tǒng)實(shí)際上是混沌演化的幸存者（編者注: 在非線性科學(xué)中，混沌指一種確定的但不可預(yù)測(cè)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)）。這是100多年前，法國(guó)數(shù)學(xué)家龐加萊提出的太陽(yáng)系能不能永存的問(wèn)題，就是說(shuō)太陽(yáng)系在它的引力下能不能保持穩(wěn)定性?，F(xiàn)在看來(lái)，很多時(shí)候，由于它的引力不穩(wěn)性，所以產(chǎn)生了很多演化現(xiàn)象。
另外，在行星科學(xué)大大發(fā)展的同時(shí)，人類(lèi)在紅外天文學(xué)上也取得了重大進(jìn)展。大約上世紀(jì)八九十年代的時(shí)候，我們發(fā)射了幾顆紅外衛(wèi)星，加上哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，這樣就可以看到恒星形成的區(qū)域，從中還能看到一些正在形成的恒星盤(pán)。這些恒星盤(pán)的大小往往比太陽(yáng)系還要大一些。這些恒星盤(pán)也剛好符合法國(guó)天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家拉普拉斯在200多年前推測(cè)的整個(gè)太陽(yáng)系形成的模型。
這個(gè)模型是什么樣的呢？我們知道，太陽(yáng)系里的行星基本上都是在同一個(gè)平面上運(yùn)動(dòng)的，拉普拉斯當(dāng)時(shí)的想法就是，這些行星今天所占領(lǐng)的位置反映的就是它當(dāng)初形成的過(guò)程。用這種想法來(lái)推測(cè)的話，就等于說(shuō)我現(xiàn)在在這個(gè)屋子里看到的所有人都在北京，所以我的結(jié)論是每個(gè)人都是在北京出生、成長(zhǎng)并一直在這工作的，但顯然這個(gè)結(jié)論是錯(cuò)的。
現(xiàn)在，我們?cè)诟拍钌弦延辛酥卮蟾倪M(jìn)，知道了行星在形成過(guò)程中是有過(guò)明顯遷移的。當(dāng)引力使星云集中在一起的時(shí)候，只要有一點(diǎn)角動(dòng)量就可以形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)速度非?？斓谋P(pán)，這些盤(pán)的里面溫度比較高，盤(pán)外面的溫度稍微低一些。盤(pán)里含有除了氫和氦以外的重金屬元素，慢慢地，它們結(jié)成一些灰埃，灰埃相撞變成石塊，石塊相撞變成子行星，子行星繼續(xù)相撞變得越來(lái)越大，最后吸積一些周?chē)臍怏w，進(jìn)而形成這些巨行星。
這個(gè)過(guò)程本身是非常復(fù)雜的，需要懂得動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、磁流體力學(xué)，而且還要知道整個(gè)物態(tài)方程和輻射傳導(dǎo)。具體的研究方法，比如用數(shù)字來(lái)模擬相撞的過(guò)程，看它到底能夠吸積多少氣體，或者相撞到什么程度就會(huì)讓速度快得把它打得粉碎。然后我們對(duì)這些相撞的結(jié)果進(jìn)行比較，比如說(shuō)對(duì)“嫦娥”帶回來(lái)的月亮表面的圖象進(jìn)行比較。
另外一個(gè)在理論上取得很大進(jìn)展的是，我們知道了行星在形成過(guò)程中，在什么樣的情況下會(huì)積累足夠的質(zhì)量，形成一些像地球大小的類(lèi)地行星的核，然后開(kāi)始吸積周?chē)臍怏w，最后形成像木星這樣大的行星。在這一過(guò)程中，它會(huì)對(duì)周?chē)谋P(pán)產(chǎn)生潮汐作用，發(fā)揮一些引力上的影響，產(chǎn)生引力波和密度波，密度波會(huì)產(chǎn)生角動(dòng)量的傳導(dǎo)，進(jìn)而使行星的軌道發(fā)生遷移。這些問(wèn)題都是當(dāng)前理論研究上的熱門(mén)課題。當(dāng)一個(gè)巨行星形成后，它會(huì)影響周?chē)沫h(huán)境而產(chǎn)生多向的巨行星，在多向的巨行星運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，它們互相發(fā)揮引力作用，導(dǎo)致引力不穩(wěn)，產(chǎn)生混沌，然后產(chǎn)生一些非線性的作用。有些行星會(huì)被甩到主星的周?chē)?，被主星的潮汐作用撕裂。在被撕裂的過(guò)程中，它外邊的氣體會(huì)被拉進(jìn)去，但是中間的核可以保持住，這些核會(huì)形成一些超級(jí)地球（編者注：超級(jí)地球即一些巨大的類(lèi)地行星）。在這一演化過(guò)程中，它們的質(zhì)量可能會(huì)減少，軌道會(huì)改變。
而這些超級(jí)地球跟周?chē)谋P(pán)之間互有潮汐作用，它們也會(huì)在這個(gè)盤(pán)里邊慢慢地運(yùn)轉(zhuǎn)，在盤(pán)和這些行星的演化過(guò)程中，可以產(chǎn)生出多行星的系統(tǒng)。最近我們觀測(cè)到了一些行星系統(tǒng)，一顆主星被一顆行星蓋住了，而此時(shí)另外一些行星也正在經(jīng)過(guò)，會(huì)蓋住這顆蓋住主星的行星，然后使它的光度發(fā)生變化。
通過(guò)這些現(xiàn)象，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)有很多的行星開(kāi)始向主星靠攏，在靠攏的過(guò)程中，它們可能會(huì)集中起來(lái)，這也是統(tǒng)計(jì)物理上可以做的一些非常深?yuàn)W的研究，特別是它們?cè)趺催M(jìn)入共振，怎么進(jìn)入混沌，最后怎么使它們的軌道開(kāi)始變成多元化的軌道。
這一兩年里，人們還發(fā)現(xiàn)一些行星圍繞主星公轉(zhuǎn)的周期甚至不到一天，比如一顆叫做“開(kāi)普勒78”的行星，它每8小時(shí)就繞主星轉(zhuǎn)了一次，它離主星的距離等于地球到太陽(yáng)距離的1/60，僅在三倍于主星半徑的地方，幾乎靠著主星了。而主星本身又有一些磁場(chǎng)，當(dāng)這顆行星圍繞主星磁場(chǎng)轉(zhuǎn)的時(shí)候，就會(huì)對(duì)磁場(chǎng)有一定影響，進(jìn)而產(chǎn)生電壓，電壓帶來(lái)的電流經(jīng)過(guò)它，產(chǎn)生一些阿爾文波，然后影響主星，在這一過(guò)程中間會(huì)產(chǎn)生歐姆耗散，使這一行星的大氣基本上蒸發(fā)掉了。但這顆行星里邊還有一些硅，硅的溫度可以達(dá)到2500到3000攝氏度，這些硅還可以產(chǎn)生硅的大氣。如果知道硅的導(dǎo)電度，那么我們就可以知道歐姆耗散率。到現(xiàn)在為止，我們基本上可以通過(guò)觀測(cè)到的一些現(xiàn)象，知道它的表面是不可能有鐵的，只不過(guò)是有一些濃漿，可能這顆行星的鐵已經(jīng)到了它的核里。
接下來(lái)，中科院國(guó)家空間科學(xué)中心正在準(zhǔn)備發(fā)射一枚利用天體測(cè)量尋找地球的雙胞胎的空間望遠(yuǎn)鏡。同時(shí)國(guó)際的同行們也進(jìn)一步通過(guò)徑向速度和凌星觀測(cè)衡量其中一些行星的質(zhì)量和半徑，然后知道它們的密度，通過(guò)密度可以知道它們的基本物質(zhì)大體上是水還是氫和大氣。通過(guò)對(duì)整個(gè)這一批行星做的一些基礎(chǔ)研究，就可以知道它們的主要成分，然后在行星之間進(jìn)行比較行星學(xué)的研究，最后可以知道一些行星的可居住性。
十年后找到地外生命
現(xiàn)在我們知道了該怎么理解行星的結(jié)構(gòu)和行星演變的動(dòng)力學(xué)等很多有意思的知識(shí)，現(xiàn)在讓我們回到生物問(wèn)題上來(lái)，就是我們一開(kāi)始問(wèn)的：如何尋找生命？
我們已經(jīng)找到了在可居住區(qū)里的行星，接下來(lái)我們就用其他方法去找更多的在可居住區(qū)里的行星，甚至包括在類(lèi)似太陽(yáng)的一些恒星周?chē)翌?lèi)似地球的行星。使用的方法是天體測(cè)量，這也是勘測(cè)行星對(duì)主星的影響，看它的位置出現(xiàn)了什么的變化。
再下一步，到底什么跡象能表明這些行星上是有生命還是沒(méi)有生命呢？面對(duì)那些不像我們的生命，我們不知道究竟應(yīng)該問(wèn)什么問(wèn)題，但我們知道對(duì)像我們的生命，我們可以問(wèn)什么問(wèn)題。所以第一步是先找到一些像我們的生命，那么該用什么工具去觀測(cè)呢？我們有一些地面觀測(cè)工具，比如國(guó)家天文臺(tái)正在參與的一些國(guó)際合作項(xiàng)目，如30米望遠(yuǎn)鏡；還有建在貴州的500米射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）；以及空間站里用的工具，如太空望遠(yuǎn)鏡。這些都可以用來(lái)探索地外生命。通過(guò)這些工具，我們能觀測(cè)到很多行星外面的大氣層，因?yàn)楫?dāng)行星經(jīng)過(guò)主星的時(shí)候，有一些光經(jīng)過(guò)大氣層，通過(guò)它的光譜，我們可以得知它的成分，或者是溫度、密度等。
在尋找生命跡象的過(guò)程中，1983年，天體物理學(xué)家布蘭登?卡特提出了一個(gè)非常富有哲學(xué)性的原理，叫做“人擇原理”，說(shuō)的是人類(lèi)在解釋天文和宇宙現(xiàn)象的時(shí)候，應(yīng)該適當(dāng)?shù)乜紤]生物進(jìn)化對(duì)觀測(cè)這些現(xiàn)象的限制。也就是說(shuō)，我今天之所以能夠問(wèn)這些問(wèn)題，是因?yàn)槲乙呀?jīng)在這些邊界條件里了。另外生物學(xué)家還需要注意，不能只考慮生物的演化，也要考慮它周?chē)h(huán)境和宇宙環(huán)境的改變使生命演化受到了限制。
很多人認(rèn)為地球上最原始的生命起源于38-40億年以前，在這之前，地球還在形成的過(guò)程之中，在太空中經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次的相撞，直到差不多44億年前，地球上開(kāi)始有一些水?？赡茏钤绲纳鹪从诤５谆鹕降闹?chē)a(chǎn)生了一些最原始的生命，然后慢慢到了大約38億年前，地球表面上出現(xiàn)了一些藍(lán)藻，而后逐漸形成了原核生物和真核生物。又過(guò)了很久，到了20億年前，地球的環(huán)境開(kāi)始發(fā)生巨大變化，由于那些很初級(jí)的細(xì)菌不斷地把大氣里邊過(guò)多的二氧化碳變成氧，地球大氣層里邊的氧氣開(kāi)始積聚，最終使溫室效應(yīng)減弱。在地球的溫度還比較高的時(shí)候，太陽(yáng)還很年輕，光線比較暗，兩者互相平衡，對(duì)地球上的環(huán)境產(chǎn)生了一定影響。
那么最能體現(xiàn)地球上有生物的證據(jù)是什么？是分子氧。分子氧本身并不是生物所需的必需品，而是生物產(chǎn)生的廢物，這些廢物實(shí)際上參與了大氣循環(huán)，通過(guò)光合作用，產(chǎn)生了氧，然后再通過(guò)呼吸產(chǎn)生二氧化碳，這些過(guò)程是非平衡的化學(xué)演化。
在把地球和金星、火星進(jìn)行比較后，我們發(fā)現(xiàn)只有在地球上，正是由于這些生物的存在才產(chǎn)生了分子氧。而如果沒(méi)有生命，那么這些分子氧很快就會(huì)氧化，幾千年內(nèi)就會(huì)減少到幾乎觀測(cè)不到的地步。
那么生命到底是什么呢？生命本身是一個(gè)自我形成、自我繁殖的過(guò)程，生命物質(zhì)和非生命物質(zhì)的區(qū)別就是，它可以形成自我復(fù)制的模子，這些模子就是DNA分子，而DNA分子的演化狀況是亞穩(wěn)態(tài)的。就是說(shuō)在不斷地自我復(fù)制中，它往往會(huì)產(chǎn)生一些變化，這些混沌的變化蘊(yùn)含著演化的可能性，就是使它能夠生存下去。
用達(dá)爾文的進(jìn)化論來(lái)解釋?zhuān)@種演化有幾個(gè)主要條件，一是在空間上指數(shù)擴(kuò)張，使它能夠在短期內(nèi)盡量多地繁殖，當(dāng)復(fù)制狀況出現(xiàn)變異的時(shí)候，通過(guò)雙性繁殖，它可以把演化來(lái)的多元化特征盡快擴(kuò)散，這就是智慧的體現(xiàn)。
到底什么是智慧？每一種定義都充滿爭(zhēng)論。但從能夠觀測(cè)的角度看，我至少可以定一個(gè)能夠定向化的評(píng)價(jià)規(guī)則，就是智慧是優(yōu)化、擴(kuò)散和保護(hù)基因生存力的能力。這是一種什么能力？如果是雙性繁殖的話，一開(kāi)始的時(shí)候，兩個(gè)生物相遇才可以互相配對(duì)；但是比如鳥(niǎo)類(lèi)，它通過(guò)叫聲，就可以使它和別的鳥(niǎo)相遇的幾率大大增加。再進(jìn)一步發(fā)展下去，生物還可以超越時(shí)間去留下自己的痕跡，比如說(shuō)一些動(dòng)物可以在某個(gè)地方留下痕跡，一段時(shí)間以后，這些痕跡還可以被找到。
最終的結(jié)果是，生物體中的物質(zhì)和遺傳信息開(kāi)始慢慢地分離。到今天，大家的基因都完全可以數(shù)字化了，這就是說(shuō)，我的生命信息已經(jīng)可以跟我這個(gè)物質(zhì)完全脫離開(kāi)來(lái)了。這是非常重要的啟示：如果我現(xiàn)在在某個(gè)地方發(fā)現(xiàn)了生命，這個(gè)生命會(huì)不會(huì)擴(kuò)散？也就是說(shuō)，我們的生命會(huì)不會(huì)是從別的地方來(lái)的？我覺(jué)得這個(gè)問(wèn)題是沒(méi)有辦法證實(shí)的，我們沒(méi)辦法證實(shí)地球上的生命是從別的地方來(lái)的。但我們可以思考，地球上的生命會(huì)不會(huì)到別的地方去，能不能到別的地方去？
這就是生物體的擴(kuò)散泛種問(wèn)題。比如說(shuō)會(huì)不會(huì)有一些行星離開(kāi)太陽(yáng)系，擴(kuò)散去了宇宙？這個(gè)可能性是非常小的，因?yàn)閺奶?yáng)系到第二個(gè)行星系統(tǒng)的距離之大，路途中的環(huán)境變化之大，挑戰(zhàn)之多，是很難讓生物體還能夠生存下去的。但還有另外一種擴(kuò)散的方法，就是把我們的生命信息傳導(dǎo)出去，傳導(dǎo)到另外一個(gè)可居住的行星上。
那么誰(shuí)來(lái)接這些傳導(dǎo)出去的信息呢？這環(huán)節(jié)看上去很難，但不是絕對(duì)的障礙，可以通過(guò)人工智能，把一個(gè)機(jī)器人擺到一個(gè)地方，讓它收你的信息。收到之后，你可以不斷地制造和實(shí)驗(yàn)，使它能夠?qū)崿F(xiàn)信息傳導(dǎo)。
如果我們觀測(cè)到了生命的跡象，可以再觀察它的空間分布是比較集中的，還是完全分散的，是怎么樣的一個(gè)演化過(guò)程。這些完全是科幻的，但當(dāng)我們?cè)谑畮啄?、幾十年、幾百年后，找到很多生命跡象的時(shí)候，就可以對(duì)生命跡象在宇宙空間的分布有所研究。
如果生命真能夠這樣擴(kuò)散，那么下一個(gè)問(wèn)題來(lái)了，這就是物理學(xué)家費(fèi)米于1950年提出的“費(fèi)米悖論”。這個(gè)悖論說(shuō)，如果生命可以擴(kuò)散的話，那么地外的智慧生物在哪，它為什么不在我們身邊呢？這一悖論提出后的60多年來(lái)，很多人給出了各種解釋?zhuān)ㄎ锢砩系母鞣N解釋?zhuān)热绱笈鲎?、軌道的演化、恒星和行星的各種活動(dòng)，認(rèn)為是這些導(dǎo)致地外生命沒(méi)能長(zhǎng)久地維持下去。
另外一方面，環(huán)境污染、人口過(guò)剩、戰(zhàn)爭(zhēng)、傳染病等環(huán)境因素也有可能給生命帶來(lái)危機(jī)，而這些危機(jī)都不能完全促成生命的凈化。至少在地球上是這樣的，地球上有很多次使生命絕種的時(shí)刻，但并沒(méi)有造成完全凈化，因?yàn)樵诿媾R絕種的過(guò)程中，不但有危也有機(jī)，它會(huì)產(chǎn)生一些窗口，使新的事物開(kāi)始演化。這時(shí)就要看生物的適應(yīng)能力，而適應(yīng)能力往往是有高峰期和低谷期的，這些峰和谷通過(guò)演化可以走到另一個(gè)趨向上去。比如曾控制地球長(zhǎng)達(dá)幾億年的恐龍陷入生存危機(jī)時(shí)，就促使了新的物種產(chǎn)生。這表明，可以有一些局部的生物演化的低谷存在，在低谷期，某種生物可能生存一段時(shí)間，停止演化。
不過(guò)如果我們真能夠?qū)崿F(xiàn)生物體的擴(kuò)散泛種，把物質(zhì)和生命信息在一個(gè)生物體里邊分開(kāi)，然后傳導(dǎo)出去，我們這時(shí)就基本掌握了該怎么控制我們生命結(jié)構(gòu)的辦法。在控制生命結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，至少有一些人類(lèi)的成員會(huì)不斷地改變生物結(jié)構(gòu)，在這一過(guò)程中，得到的反饋信息就已不再是自然的反饋，也不是緩慢的反饋，而是非?？焖俚姆答?。因?yàn)槟憧梢酝ㄟ^(guò)各種各樣的技術(shù)，加快反饋過(guò)程，在這個(gè)非?？斓倪^(guò)程里，會(huì)產(chǎn)生一些非線性的混沌現(xiàn)象。
現(xiàn)在，讓我們離開(kāi)科幻，回到現(xiàn)實(shí)，看看我們自己在整個(gè)宇宙中的位置，原來(lái)我們是非常渺小的。我們能看到知道的物質(zhì)，實(shí)際上在整個(gè)宇宙里還占不到4%。我們所占領(lǐng)的空間（地球）也只是整個(gè)宇宙的幾萬(wàn)億分之一。我們?cè)谟钪嬷兴?jīng)歷的時(shí)間，如果按一年來(lái)算，地球形成于8月，地球生物起源于11月，而人類(lèi)直到12月31號(hào)才真正出現(xiàn)。
現(xiàn)在，讓我來(lái)做一個(gè)小小的總結(jié)。我今天講的有些是最新進(jìn)展，有些是比較實(shí)際的理論工作，也講了一些懸乎的科幻想象?？偟膩?lái)說(shuō)，系外行星是普遍存在的，行星系統(tǒng)具有非常多元化的特征，行星軌道的結(jié)構(gòu)是它形成的環(huán)境和行星遷移所造成的。宇宙中可能有大量類(lèi)似地球這樣的行星，它們具有可居住區(qū)的特點(diǎn)。我預(yù)言，在今后的十年里，我們一定會(huì)找到地外生命的跡象，而當(dāng)發(fā)現(xiàn)地外生命的時(shí)候，將會(huì)革命性地改變我們對(duì)整個(gè)生物起源的認(rèn)識(shí)。謝謝大家！
【聽(tīng)眾提問(wèn)】
某中學(xué)生：您剛才為什么很肯定地說(shuō)，我們今后十年一定可以找到地球以外的生命？
林潮：一個(gè)是技術(shù)上的問(wèn)題，一個(gè)是到底存不存在的問(wèn)題。在今后十年里，我們會(huì)繼續(xù)觀測(cè)尋找有生命跡象的行星，可能會(huì)找到成百上千顆行星。在至少一千顆行星里找有類(lèi)似地球上的生命現(xiàn)象的話，我們基本上是能看到的，我們有這樣的精確度。需要說(shuō)明的是，所謂的“找到地外生命”，是基于我們對(duì)生命的定義，就是看有沒(méi)有分子氧，而不是要看到一個(gè)生物在那里活動(dòng)。當(dāng)然這個(gè)定義也是可以推翻的。但是，通過(guò)高精確度探索，不論找得到還是找不到地外生命的跡象，意義都非常重大。
施一公（著名生物學(xué)家、清華大學(xué)教授）：我覺(jué)得您提到的1983年卡特提出的“人擇理論”非常好。我們認(rèn)知外星系生命，跟我們自己的存在有非常大的關(guān)系，它受我們自己進(jìn)化的影響。至今為止，我都找不到一條理由說(shuō)，為什么尋找外星系生命第一需要找氧氣，第二要找水，第三要找適合人類(lèi)居住的溫度？您剛剛講到，我們是在找類(lèi)似人的生命，我們的想象非常有限，像電影《阿凡達(dá)》里的外星人，長(zhǎng)得很像人，就比人多一個(gè)尾巴，但其實(shí)生命遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止是像我們這樣的。比如高溫100攝氏度的熱泉里還有細(xì)菌生存，根本不需要20—25攝氏度的環(huán)境；在南極零下50攝氏度也可以有生物生存。有一種生物叫水熊（編者注：水熊主要生活在淡水的沉渣、潮濕土壤以及苔蘚植物的水膜中，體型通常不超過(guò)1毫米），在真空環(huán)境下都能生存，不用任何氧氣，暴露在高強(qiáng)度射線里存活幾個(gè)月也都沒(méi)有問(wèn)題。那么，我們?yōu)槭裁葱枰鯕?？因?yàn)檠鯕膺M(jìn)入后，能形成一種能量。但想象一下，在很久以前的時(shí)候，地球上甚至不需要氧氣。很多生命和人的生命形式很不一樣，而我們卻在尋找和我們一樣的智慧生命。所以我的預(yù)測(cè)是，幾乎100年都找不到跟人一樣的生命。我認(rèn)為只要存在一個(gè)星系，生命肯定存在，至于能不能觀測(cè)到是另外一回事。
林潮：但是認(rèn)為是認(rèn)為，證實(shí)是證實(shí)。所以我也同意您所有的看法，但是我沒(méi)有辦法證實(shí)。我一開(kāi)始就提出來(lái)，地外生命是未知的未知，如你都不知道要找什么樣的東西，怎么去證實(shí)呢？所以我們現(xiàn)在把目標(biāo)定得非常小，我并不是相信只有類(lèi)地生命才能存在，但如果想找到一個(gè)地外生命，至少要找到我可以認(rèn)定的東西，對(duì)不對(duì)？氧實(shí)際上是一個(gè)廢物，但是這個(gè)廢物可以讓我知道一個(gè)類(lèi)地生物在哪存在，雖然這并不等于說(shuō)類(lèi)地生物是唯一的生物。如果我們連第一步都不認(rèn)識(shí)，就更難走下一步。我們不僅有技術(shù)上的局限，更有物理學(xué)上的局限，所以在限制范圍內(nèi)，把目標(biāo)縮小再縮小，這就是我們當(dāng)前的任務(wù)。
某中學(xué)生：您在講座中提到，我們?nèi)绻焉畔⑼ㄟ^(guò)技術(shù)手段傳導(dǎo)出去，然后控制自己的生命結(jié)構(gòu)，會(huì)得到快速的反饋。我想請(qǐng)問(wèn)，如果生物急速進(jìn)化，會(huì)有什么樣的后果？
林潮：我相信很多人都有過(guò)網(wǎng)上即時(shí)通訊的經(jīng)歷，特別是你和別人吵架的時(shí)候，如果他說(shuō)一句你馬上回一句，他再來(lái)一句，你馬上又回，這架就迅速吵起來(lái)了，相信很多人都有這樣的體會(huì)，事后后悔當(dāng)時(shí)不斷地快速反饋，想收都收不住。而你如果不這么急速地反饋對(duì)方，等一個(gè)星期再回他的話，這個(gè)架就吵不起來(lái)了。
我再舉個(gè)羊和狼的例子。如果羊不多，而狼很多，羊群都被狼吃了，狼沒(méi)有食物了，狼就會(huì)減少，那么羊的數(shù)量又開(kāi)始增長(zhǎng)，這是一個(gè)自然的正常反饋。但如果這個(gè)反饋太快的話，所有的羊都被狼吃掉了，生態(tài)秩序就垮了， 最終導(dǎo)致狼絕種。
人類(lèi)通過(guò)技術(shù)來(lái)操控自己的基因，操控生命結(jié)構(gòu)，這其實(shí)不是一個(gè)生物問(wèn)題，這是線性還是非線性反饋的問(wèn)題。在生物上，你可以不斷地?fù)Q你想要的東西，不必做實(shí)驗(yàn)，數(shù)學(xué)上就可以模擬。當(dāng)有這種條件的時(shí)候，總會(huì)有人被這種可能性吸引，然后去嘗試，因?yàn)橄腴L(zhǎng)生不老。前一段時(shí)間，霍金不是也說(shuō)他反對(duì)人工智能嗎，他說(shuō)的跟我說(shuō)的很相似。他為什么反對(duì)，應(yīng)該也是有些想法的。如果你問(wèn)我這種事會(huì)導(dǎo)致什么后果，我覺(jué)得很難說(shuō)，一旦產(chǎn)生混沌，沒(méi)辦法預(yù)測(cè)到它的結(jié)果，因?yàn)檎麄€(gè)的臨界條件已全部改變。
某小學(xué)生：就算我們能找到可以生存的星球，我們?cè)趺丛谀抢锷妫拖瘛缎请H穿越》里一樣，建立空間站？
林潮：就像剛才講到的，生命到底是什么？生命不止是某種物質(zhì)，不止是我身上的一些細(xì)胞，而更重要的是細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)是不是能傳導(dǎo)到別的星球那里？這有點(diǎn)科幻的成分了，但不是那么不可思議的，但最后會(huì)發(fā)展出什么結(jié)果，還很難下結(jié)論。
某小學(xué)生：既然火星上有水，那么火星上有過(guò)生命跡象嗎？
林潮：現(xiàn)在我們還沒(méi)有看到確實(shí)的證據(jù)，還在繼續(xù)尋找。火星上的確曾經(jīng)有水，跟我們的地球差不了太多，所以如果我們?cè)诨鹦巧险也坏缴脑?，那為什么地球上就有生命呢？不僅是日后在火星上發(fā)現(xiàn)了生命，我們要考慮這個(gè)問(wèn)題，就是在那里找不到生命，也要考慮這個(gè)問(wèn)題，你問(wèn)的問(wèn)題非常好。
某小學(xué)生：如果咱們期待的某個(gè)行星上的條件和地球上的所有情況都相符，是不是說(shuō)就肯定會(huì)有生命存在？
林潮：我不知道。但這是一個(gè)很好的科學(xué)問(wèn)題，為什么呢？我們的生命是不是一個(gè)意外，它是在什么樣的情況下才產(chǎn)生的？如果是傳導(dǎo)來(lái)的，那么類(lèi)似的星球都會(huì)有生命，而且應(yīng)該都是最簡(jiǎn)單的生命。因?yàn)橐话銇?lái)說(shuō)，能傳導(dǎo)成功的生命都是最簡(jiǎn)單的東西，輕裝上陣才能傳導(dǎo)和適應(yīng)新的環(huán)境。但是很難說(shuō)地球上的生命究竟是不是一個(gè)意外，因?yàn)樯窃诘厍蜃钤缙诘臅r(shí)候產(chǎn)生的。剛才那位小朋友問(wèn)我火星上會(huì)是什么樣，早期的火星跟那時(shí)的地球差不了太多，但就是沒(méi)找到生命，所以我希望這個(gè)多元演化問(wèn)題大家以后能夠好好研究。
【作者簡(jiǎn)介】
林潮：加州大學(xué)圣克魯茲分校教授，清華大學(xué)高等研究院客座教授，美國(guó)藝術(shù)與科學(xué)院院士，英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)榮譽(yù)會(huì)員，美國(guó)天文學(xué)會(huì)布勞威爾獎(jiǎng)得主。
（本文由潘穎據(jù)清華大學(xué)天體物理中心《新世界和新視野》系列講座之二“行星起源與地外生命”整理，已經(jīng)林潮教授審閱。）
