篩選星際文明（一）

趙洋

一、十萬星系不見生機

SETI計劃

半個多世紀以來，一些有著科幻頭腦、相信外星人存在的天文學家自發地組織起來，開展了一個名為“搜索地外智慧文明”（簡稱SETI）的天文觀測項目。SETI旨在尋找宇宙中的智慧文明。這些天文學家認為地外智慧文明會利用無線電甚至激光脈沖與外界溝通，它們或許正在嘗試與其他星球上的文明取得聯系。遺憾的是，迄今SETI項目并未尋獲任何來自外星文明的信號。也許銀河系中遍布簡單生命體，但能與人類聊天的外星鄰居卻一個也沒發現。

最新的研究成果表明，不僅是銀河系內，在更廣大的宇宙空間中，都可能只有人類這孤零零的一個智慧文明。一個由賓夕法尼亞州立大學的天文學家詹森·萊特領導的研究團隊在觀測了銀河系附近10萬個大質量星系后，得出結論：沒有一個星系顯現出存在發達科技文明的跡象。研究結果發布在《天體物理學》雜志增刊上，這也是迄今為止囊括星系數量最多的一次觀測，類似的早期研究只涉及了100個星系。

在行星地球上，生命以微生物的形式誕生。然后，生命攀上演化階梯，有了更大的身軀，擁有了復雜的神經系統，進而構建社會，最終擁有了前往其他行星甚至其他恒星的技術。既然這個過程能在地球上發生，那為什么不能在充滿各個星系的數十億個宜居行星上發生呢？

智慧生命一旦具備了進入太空的能力，若以每秒60千米的速度飛行，大概在5000萬年內就能穿越銀河系這樣的星系（直徑10萬光年）。5000萬年對于恒星和星系動輒數十億年的時間尺度而言，只是短短一瞬。我們完全有理由相信，在宇宙誕生后近140億年的漫長時光中，智慧生命早就把星系踏遍了。也許這些擁有航天能力的文明十分稀有且隔絕，但是只要有一個星際文明有意并且有能力對所在的星系進行改造，人類就有機會看見它們。如果觀測的星系足夠多，我們理應最終發現智慧加工的痕跡。然而，我們觀測的星系越來越多，卻只發現一切都是純天然，這非常讓人沮喪。

事實上，技術文明是比較容易被發現的。曾有兩位美國天體物理學家在迪拜旅游時受到城市夜色的啟發，提出了一個問題：用人類現有的望遠鏡，究竟能在多遠的另一顆星球上看到地球上的一座大型城市？

他們的計算結果是，以日本東京為例，地球上一個城市夜晚的燈光可以一直傳到太陽系的邊緣。這個距離大約是從地球到冥王星距離的30倍。二人繼而根據這一研究提出通過尋找太陽系內可能存在的其他“人造”燈光來尋找外星文明的設想。

那么現在的問題是，為何我們還沒有發現地外智慧文明，特別是星際文明？

小詞典：什么是星際文明？

實現了跨恒星往返飛行，在不止一個恒星的引力范圍內有定居點，并對各個定居點實現有效治理的技術文明。

曾在20世紀90年代采用不同的方法探尋過100個鄰近星系地外文明信號的詹姆斯·安尼斯懷疑，被稱為“星際生命殺手”的伽馬射線暴曾一度在宇宙中隨處可見，這些致命射線摧毀并抑制了高級文明的發展。如今宇宙間的伽馬射線暴有所平息，于是地球人類恰巧處于了智慧文明發展的“起點”之上。

可以想象，伽馬射線暴不過是星際文明漫漫成長歷程中要面臨的障礙之一，類似的障礙還有許多。換句話說，在宇宙中的無生命物質和可持續擴散的文明之間有一個巨大的篩選機制，通過這個篩選極其困難。如同武俠小說里描繪的那樣，一心向武的少年只是骨骼還不夠清奇，還需有諸般奇遇方能成為大俠，一個文明也要克服重重困難、跨越道道階梯才能成長為縱橫星系舞臺的角色。星際文明必須經歷的種種歷練，被科學家總結為“大過濾器”（The Great Filter）。

尋找地外生命

二、大過濾器理論

“大過濾器”這一概念，是美國喬治梅森大學的助理教授羅賓·漢森為了試圖解答“費米-哈特悖論”而提出的。

1998年，羅賓·漢森在一篇文章中，把沒有生命的荒蕪之地發展到具有擴張性的星際文明的過程劃分成9個階段：

1.合適的行星系統（存在有機物以及生命宜居的行星）

2.可自我復制的分子（比如RNA核糖核酸）

3.簡單（原核）單細胞生命

4.復雜（真核）單細胞生命

5.有性生殖

6.多細胞生命

7.腦量較大、使用工具的動物

8.人類目前這個階段

9.星際殖民擴張

漢森認為，目力所及的宇宙寂寥無人的這一事實說明，上述9個階段——或者可能被細分出的更多階段——中，至少有一個階段是難以實現的。無論是什么因素在哪個階段阻止了星際殖民擴張的最終實現，它都被稱為“大過濾器”。

根據大過濾器理論，一個物種要成長為星際文明，需要通過多種過濾器的檢驗。這些過濾器就像“篩子”一樣，淘汰不合格的生命形態與社會形式。下面，我們將上述9個階段劃分為“環境”“生命”“文化”“科技”四個“篩子”，逐一進行解讀。

小詞典：費米-哈特悖論

根據人類目前掌握的科技知識以及歷史經驗推測，銀河系應該早已充滿了四處殖民的星際文明，然而不僅地球上找不到外星人曾經造訪的證據，在望遠鏡里也瞥不見絲毫外星飛船或工程的影子——甚至連一個來自智慧文明的無線電信號都接收不到。

美國物理學家恩里科·費米在1950年的一次非正式討論中指出了上述矛盾，認為這似乎有些不同尋常。宇宙已經有100多億歲了，僅僅銀河系內便有幾千億顆恒星，而孕育了我們的太陽僅僅是其中較為年輕的一顆。即便考慮了光速的有限性和文明興衰的生命周期，這么長的時間里，宇宙間也應該有過無數星際文明次第興滅，人類不該如此寂寞。1975年，美國天體物理學家麥克爾·哈特在論文中詳細探討了可能的解釋。之后，這一問題通常被稱為“費米-哈特悖論”。

三、合適的環境（環境篩）

生命宜居帶

什么樣的行星或衛星上有可能產生類似地球物種的生命呢？科學家提出了恒星周圍“生命宜居帶”的概念。所謂生命宜居帶，就是指位于這個區域內的星球可以產生生命，并且能夠長期維持生命的存在。在太陽系中，生命宜居帶就位于距離太陽0.99～1.7個天文單位的宇宙空間。

一顆行星位于生命宜居帶內，并不表明其上一定就有生命存在，還要滿足一系列其他條件才行。首先，這顆行星上一定要有液態水，而且液態水是長時期穩定存在的。以地球為例，行星表面的水存在了數十億年以上，才能保證生命誕生并演變為高等生命。一顆恒星周圍的宜居帶有內邊界和外邊界之分。如果超越內邊界，行星過于接近恒星，表面溫度就太高了，就像水星那樣，不易保持液態水，更不利于生命發展;如果超過外邊界，離恒星太遠，溫度就會太低，水處于冰凍的狀態，生命就將無法存在和演化。

另一個要素就是行星本身的質量。如果行星距其太陽恰好是1個天文單位，則要求行星質量為相當于地球的0.5～10倍個地球質量。如果質量太小，行星的引力就不足以保持維系生命存在的大氣，也就沒有了保護生命免遭致命輻射傷害的保護層;質量太大，又容易吸引氫，從而形成木星、土星那樣的氣態行星，使生命難以生存。

開普勒太空望遠鏡發現的生命宜居帶行星

廣義的生命宜居帶還涉及恒星在星系中的位置。比如，這顆恒星不能靠近一些太大的恒星，因為大質量恒星演化到最后階段會發生劇烈的爆炸（新星和超新星爆發），產生強烈的輻射，不利于生命生存。因此，恒星在其星系中的位置也要恰到好處，就如我們的太陽在銀河系的位置。

綠色區域為恒星周圍的生命宜居帶

過去二十年間，天文學家共發現幾千顆太陽系外行星。不過，絕大多數已證實的系外行星都屬于木星這樣的巨型氣態行星，或者是溫度極高、軌道距離母星很近的行星。也就是說，在這些星球上發現生命的可能性非常渺茫。

盡管如此，科學家根據觀測結果推算，銀河系幾乎每顆恒星都有一顆行星環繞，所以整個銀河系約有1000億顆行星，其中，大約有17%——多達170億顆——是大小與地球類似的行星。那么，這些行星中位于生命宜居帶的又有多少呢？答案是約10億顆。

科學家在搜索地外生命時，多以液態水和有機物的存在作為外星生命存在的前提條件。有人批評說，這樣以地球生物為藍本的先入為主的觀點阻礙了對外星生命的探索，例如在遠離恒星的生命宜居帶之外，可能存在通過地熱等方式維持地下的生物圈;也有生物能夠在高砷低磷的環境下存活，這說明生物組成“必備”的六大基本元素碳、氫、氧、氮、磷、硫，可能不是必需的。除了碳基生命之外，科學家還認為，外星生命也可能以硅基、硫基、氨基等生命形態存在。所以，如果下一部《異形》系列影片中出現了在氣態行星的大氣層中飛翔的水母狀氨基生物，請不要大驚小怪。

生命搖籃本身

根據地球的經驗外推，生命很有可能出現在圍繞恒星運轉的行星上。如果行星的衛星條件適宜，衛星也是不錯的生命溫床。無論是行星還是衛星，下面這些小過濾器決定了生命能否在上面進化為星際文明。

地質活動。生命出現后，星球上不宜再有頻繁的地質活動。類似木衛一這樣的大衛星，受木星強大引力的牽扯，產生了太陽系最活躍的火山，顯然不適合生命的發展。

冰期。對于地球這樣表面富含水分的星球，只有融化的水才能成為生命活動的溶質。在40多億年的地質歷史中，曾出現過多次顯著降溫變冷的時期，也就是冰期。前寒武紀晚期、石炭紀至二疊紀和新生代的冰期，都是持續數百萬年的大冰期。冰期改變了全球氣候帶的分布，導致大量喜暖性動植物種滅絕。對于目前的人類而言，遭遇冰期也是災難性的，靠天吃飯的農業會被徹底摧毀。

太陽系位于在銀河系的生命宜居帶中

磁極倒轉。地磁場包圍著整個地球，就像一把巨傘，保護著地球上的生物免受宇宙射線的傷害。根據各年代巖石磁化的方向，可以推測出地球曾經多次發生磁極倒轉。過去1.6億年間，每百萬年磁極有2至6次的倒轉，但間隔不等。如果磁極倒轉，地球會有一段時間完全沒有磁場，這時的地球將完全暴露在宇宙射線輻射下，這將會對生命產生致命影響。部分動物會失去定向能力導致滅絕，生態系統破壞。而且，太陽風中的帶電粒子不再有地磁場阻擋，會強烈沖擊電離層，引起電離層暴，對無線電通信、衛星、航天設備造成損害。如果在下次磁極倒轉前，人類有能力抵御上述不良影響，則有可能成長為星際文明，否則，將被禁錮在地球上。

自然資源。人類使用的所有資源幾乎都取自地球本身，即便是太陽能也大量以化石能源和風能等形式存在。所以，一顆星球上的資源如果無法支持文明擴張到另一資源地，那么這個文明自然沒有可能進化為星際文明。

合適的星球跳板

月球以柔和的引力（大約1.98x1020牛頓）輕輕牽扯著地球。地球上直接朝向或背向月球的區域被這個力拉起來。如果這個區域是海洋，就會形成潮汐。地球每自轉一周，都要有兩次潮漲潮落。月潮把富含有機物的海水帶到陸地邊緣。在遠古的海陸交界處，一些喜氧生物頑強地生存下來，成了最早的陸地生物。四億年前的一天，一條長相古怪的魚被潮水留在岸上，它拼命地張著鰓，扭動著身體，終于跳回了海洋。后來，它的后代漸漸能適應了短暫的陸地生活，直到有一天它們深入岸上太遠，以致無法返回海洋。這些早期的兩棲動物，就是包括人類在內的所有陸生脊椎動物的直系祖先。

可以說，月球直接促成了生命從海洋到陸地的發展。月球還是科學發展的天然實驗工具。很早以前，古希臘人就從月球的形狀出發推測出腳下的大地是球形的。

1609年12月的一個夜晚，伽利略把自制的望遠鏡對準月球，驚奇地發現月球的表面凹凸不平，根本不像大家公認的“天體都是完美無缺的”。作為一個堅定的哥白尼學說的信徒，伽利略在不知不覺中從他所觀察到的月球陰影區內的亮點和黑斑中，得出了有關月球表面情況的結論。他設想，月球的表面與地球的表面是相似的。因為他通過新發明的望遠鏡注視月球時，他“看到了”與地球上類似的情況。天和地是統一的，這一發現給了他駁斥舊學說的勇氣。

60年后，牛頓提出萬有引力定律時，月球同樣幫了大忙，為了驗證自己關于“引力隨距離的平方而減小”的想法，他只能從天體的運動中尋求支持。無疑，只有月球能擔此重任。當地月距離和月球公轉周期被精確測定后，萬有引力理論被證明是正確的。萬一地球沒有月球這個鄰居，在當時的條件下，牛頓沒任何辦法驗證自己理論的正確性，科學的發展可能會延遲許多年。

又過了兩個半世紀，月亮幫忙驗證了另一位科學巨人的理論，并使之揚名天下。這個人比牛頓走得更遠，他就是愛因斯坦。在1919年5月29日普林西比島發生的日全食中觀測到遙遠星光經過太陽時發生了偏轉，廣義相對論指出的空間彎曲確有其事。全世界為之轟動。要是月球的大小不足以恰好遮住太陽，任何掠過太陽的星光都將不可分辨。從這一點上看，擁有這樣的衛星真是科學的福音。

一顆遠近適度的衛星還能召喚文明走出搖籃，邁向星際。中國古代就有嫦娥奔月的神話，科學先驅開普勒、伽利略也把月球設想為人類飛天的第一站。月球既不遠得難以到達，也不近得一蹴而就，它只等待那些科技水平足夠高的智慧生命來觸摸自己。就像阿瑟·克拉克在科幻小說《崗哨》中說的那樣：“只有當穿越太空，逃離人的搖籃地球，以此證明自己適合于生存下去的時候，星際文明才會對我們的文明感興趣。”登月的成功使人類對自身的力量有了新的認識。如果月球不存在，面對茫茫繁星，人類敢于貿然登臨遙遠的火星或金星嗎？也許不會。月球以及火星是地球人邁向星際的跳板，是通向宇宙的橋梁。通過登陸這些星球并嘗試在上面生活，文明可以實現星際航行的技術積累。

如果沒有月球，地球上不會存在我們熟悉的生命形式。或者，陸地永遠是蠻荒之地。受水的粘滯力所限，海洋生物即使有智慧，也無法產生像我們一樣的工業文明。他們可能構成有組織的社會，但沒有可以建造房屋與工具的肢體。

甚至，地球上也許永遠進化不出智慧生命：隕星時不時地給地球以致命一擊，生命的鏈條還沒延伸到文明階段就斷裂了。或者，隨著地軸頻繁擺動，大海不時被凍成大冰坨……可能存在著的動物為了適應漆黑的夜晚都長著可以看見紅外線的眼睛……

宇宙誕生以來，曾有多少文明興滅？

所以，擁有抵御小天體撞擊的天然屏障，也是高等生命進化乃至文明延續的合適條件之一。月球一樣的衛星（火星的衛星太小了，就沒有這個功能）、大行星（如木星）等像太空中的擋箭牌一樣庇護著潛在的星際文明，并靜待它們有朝一日改造自己。

【責任編輯：楊 楓】

本刊2016年第2期將刊載《篩選星際文明（二）》，探討滿足什么條件的生命才有可能成長為星際文明（生命篩）、怎樣的社會文化更適于星際移民（文化篩），歡迎關注。