王立铭专栏｜生命的秘密（一）：地球人与外星人

　　 1968年，在阿波罗8号飞船飞离地球飞向月球的航程中，几位宇航员第一次亲眼目睹了我们这颗蓝色星球的全貌。于是在天文尺度上，全人类瞬间连接成了一个有机的整体，而孤独感也油然而生：在这茫茫星海里，是否还有我们的同类，是否还有我们的朋友？（图片来源：Wikipedia）

　　 编者按 ：

　　 人类为何如此热衷于寻找外星人呢？

　　 从某种意义上说，对外星人的想象可能源自人类内心一种特别的孤独感。我们习惯生活在热热闹闹的人群中，喜欢那种邻家鸡犬声，海内存知己的感觉。伴随着地理大发现和信息的全球流通，开始慢慢成为一个整体的地球人类，当然也希望有自己的邻居和知己。

　　 在寻找外星生命的漫长旅程中，我们与其被动等待，不妨反求诸己，追问一下地球上的智慧生命――人类到底是怎么来的，又是如何演变到今天这样。

　　 作者通过撰写这组系列文章，讲述了科学家在揭示生命秘密的过程中那些最值得记取的重要发现，了解这些和人类进化有关的关键发现可能会帮助我们更好地认识自己以及所有可能的智慧生命。

　　 以下为该系列的第一篇。

　　 撰文 | 王立铭（浙江大学生命科学院教授）

责编 | 徐可

● ● ●

地球之外，是否还有别的智慧生物生存繁衍，在我们享受这一刻安宁的时候，隔着茫茫星海，他们也在眺望着我们？

从月宫里的嫦娥到火星上的“运河”，人类从古到今都不缺仰望星空、神游于凡俗之外的幻想家。对于外星人的样貌，人们自然也有各种各样奇妙的想象。外星人科幻的开山之作、科幻大师乔治·威尔斯的《世界大战》里，来自火星的外星人长着一个硕大无比的脑袋，没有手脚，依靠两排长长的触须来行走。而在大导演斯皮尔伯格的想象中，大脑袋长脖子小身体的E.T.外星人又丑又萌，一双巨大的眼睛流露着善意。大概是为了叙事的方便，在大多数的科幻作品里外星人往往以类似地球人的样貌出现。但是从能自动脱水卷成一个小卷儿的三体人，到能够与树木直接形成神经网络的阿凡达，更狂放的外星人形象不胜枚举。

　　 01

　　 他们在哪儿？

地球人类会是宇宙中唯一的智慧生物吗？

要知道，我们所处的太阳系，不过是直径10万光年的银河系边缘一个暗淡的小小恒星系。银河系里类似太阳的恒星就有上千亿颗，围绕它们做椭圆运动的行星多到难以计数。而银河系所在的拥有上千个银河系的室女座超星系团，放在半径达到460亿光年的整个可观测宇宙中，同样显得平淡无奇。在这样一个年龄超过百亿年、恒星如恒河沙数（一种估计是1022到1024颗恒星）的宇宙，生命产生的概率哪怕只有亿万分之一，智慧之花应该早已盛开在天涯海角。

但是如此一来，我们马上会碰到一个逻辑上的难题。1950年，著名的物理学家、原子反应堆之父恩里克·费米（（Enrico Fermi）在一次关于外星人和UFO的闲聊中，问了一个直白简单的问题：“（如果确实存在外星人的话）他们在哪里？（Where are they?）”。 这个简单提问背后的思想是很深刻的：如果我们的宇宙确实存在如此大量的智慧生命，又由于宇宙的年龄是如此古老足以允许智慧生命驾驶着他们各自的交通工具往来穿梭，那么这些智慧生命中肯定会有许多已经、或者正在造访地球，但是我们却一个也没有看到！

既然我们没有看到E.T.来访，是不是能够反推其实外星生命（或者至少是智慧生命）并不存在，地球人就是浩瀚宇宙里绝无仅有的生命奇迹呢？

费米悖论陆续衍生出了许多很有趣的科学和哲学思考。有从正面进行解读的，认为费米悖论确实证明地球人类是宇宙中独一无二的存在：宇宙中要么压根就不存在其他生命；要么其他生命还没有进化到地球人类这样的智慧水平；要么某些生命虽然曾经辉煌过但是早已在历史中烟消云散。也有从反方向进行解读的：费米悖论不说明外星人不存在，反而可能是地球人太愚蠢了。可能是由于短短几万年的地球文明还没来得及等到来自外星文明的信息；可能是人类太过落后、压根就还不知道怎么去检测来自外星文明的信息、更加不知道怎么向外星文明宣告自己的存在；也可能是其他的高级文明巧妙地隐藏甚至是孤立了自己……这个开放性的问题后来成为许多科幻作品的背景，包括刘慈欣的《三体》。在《三体》中，大刘对费米悖论的解释是，大量的外星智慧生命确实存在，但是由于文明间的生存竞争和交流障碍，所有高级文明都很好地隐藏着自己。

　　 费米悖论一个著名的衍生品就是1961年被提出的德雷克公式（如上）。这个概念性的公式总结了各种影响智慧生命之间交流的因素，例如恒星数量、恒星是否有行星、生命出现的可能性等等等等。严格来说，德雷克公式的目的倒不在于真正计算外星智慧生命的可能性和数量，而在于在逻辑上探讨什么东西影响了我们和外星智慧生命的交流。尽管德雷克本人在内，许多人都对公式的各个参数做出过估计，得到的最终计算值N，也就是银河系内可能和我们进行通讯的文明数量的预测范围极广，从仅有万亿分之一到数百万个。 （图片来源：Wikipedia）

　　 02

　　 奥兹玛到戴森球：寻找外星生命

费米的提问实际上也催生了许多搜索外星智慧生命、甚至试图与外星智慧生命交流的努力。1960年，美国康奈尔大学的天文学家弗兰克·德雷克（Frank Drake），也就是上面那个德雷克公式的提出者，将射电天文望远镜对准了两颗看起来类似太阳的恒星：天苑四和天仓五，并在21厘米波长频段上记录了数百小时的电磁波信号。这项被命名为奥兹玛计划（Project Ozma）的探索性研究虽然意料之中地一无所获，但却孕育了延续至今、全球成千上万科学家参与的搜寻地外文明计划（SETI，Search for Extra-Terrestrial Intelligence）。随着技术的发展，在可预见的未来，地球人类将会有能力同时并持续监听千万颗量级的恒星信号，这将极大提高人类发现外星智慧生命的能力。

当然，整个SETI计划都基于一个简单的假设：那些外星智慧生命（如果真的存在的话）必须积极、持续地用大功率向全宇宙发射一些容易被破译的无线电信号。从我们上面的讨论中可以很容易看到，这个假设是否成立是很成问题的：那些文明如果还没有能力发射高功率的无线电信号呢？如果他们的信号我们无法理解呢？如果他们故意隐藏自己不发射信号呢？因此把找寻地外智慧生命的希望完全寄托在SETI或者类似的项目上是不明智的。

而2009年升空、围绕太阳运行的开普勒空间望远镜，就用的是完全不同的思路。该任务专注于寻找太阳系之外类似于地球的所谓“宜居”行星。它的逻辑是，我们先抛开外星人是不是会发来信息不谈，先看看是不是真能找到适合地球人类居住、因此也有可能孕育了类似地球人类的外星生命的行星再说。真找到了这样的行星，我们再去有针对性地探测外星智慧生命。开普勒任务硕果累累，几年时间已经发现了上千颗新行星；而主持开普勒任务的美国国家航空航天局（NASA）也在过去几年里一次又一次玩着发现了各种“另一个地球”的标题党游戏。当然，这些发现与其说解决了或者要解决费米悖论，倒不如说更加强化了费米悖论：一次任务就发现如此多的行星和类地行星，不更说明地球和地球人类在宇宙中其实并不特别、也应该并不孤单么？

开普勒空间望远镜的艺术想象。简单来说，当行星围绕恒星公转、恰好处于地球和该恒星之间时就会部分的遮挡恒星的光信号。因此在地球上看来，恒星的光信号就会出现周期性的波动，根据波动的频率和强弱可以推断出行星的公转周期、质量和半径等等信息。同时，温度较低的行星吸收恒星光之后也会发射频率较低的信号，这个信息也可以帮助我们推断该行星的元素构成。读者们可能还会记得，就在2015年7月，各大媒体都在热炒的所谓“第二个地球”，就是开普勒空间望远镜发现的新类地行星Kepler-452B。 （图片来源：Wikipedia）

而如果把开普勒任务的逻辑推演到极致，就引出另一个概念“戴森球”（Dyson sphere）。喜欢读科幻小说的读者们对此应该不会陌生。1960年，美国物理学家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）在一篇学术论文中提出了这么一个想法，如果外星智慧生命进化到一定程度，行星本身的能量很可能已经不够用了，因此近乎必然会试图利用整个恒星产生的能量。实际上地球人类已经在做了：在地球和太阳轨道运行的各种人造航天器都或多或少需要利用太阳能。戴森把这个逻辑推演到极致，得到的一个令人匪夷所思的结论是，当外星文明发达和扩张到一定程度，吸收和利用恒星能源的各种“人”造物体将会以极高密度存在在恒星周围，极端情况下甚至可以像一个“球”一样包裹住整个恒星（当然，并不需要一个坚硬的球壳结构），尽其所能吸取恒星发射的能量。这样的所谓戴森球，可能会密集到足以像行星那样遮挡恒星的光线；与此同时，这些人造物体由于温度显然会大大低于恒星，因此在吸收恒星能量后会产生波长长得多的红外辐射。因此在戴森看来，利用两点寻找戴森球，可以帮助我们定位那些遥远的高度文明的外星生命。

　　 一种幻想中的戴森球。戴森球还有不少有趣的变种，比如戴森环、戴森网、戴森云等等。它们的基本逻辑是类似的：大量的用于采集恒星能量的“人”造物体包围在恒星周围，产生了可以在万里之外被检测到的光谱变化。从某种意义上说，人类也已经处于建设戴森球的最初级阶段，我们所制造的上千颗人造地球卫星和太阳系内的飞行器，也在采集太阳能并产生微弱的红外辐射。（图片来自www.quora.com）

怎么样，是不是听起来特别科幻？但是别忘了，上面那个开普勒空间望远镜，其实就是依靠恒星光线的遮挡和异常的红外发射这两个指标来寻找和分析行星，从而为寻找戴森球提供了可能。

就在2015年，在遍及世界各地的天文爱好者的帮助下，科学家从浩若烟海的开普勒数据中找到了这么一个可能的戴森球！这颗被命名为KIC 8462852、距离我们1480光年的恒星，似乎总是被形状不规则、轨道高低不同、周期也不固定的许多物体环绕并遮挡着，这一现象看起来无法用任何已知的天文现象所解释（例如行星、巨大的彗星、星际尘埃等）。难道是一个并未完工的戴森球？当然需要更多更细致的研究才能下结论，但受到这一发现的的启发，SETI项目利用阿伦射电望远镜阵列对KIC 8462852进行了180小时的无线电监听，就在你读这篇文章的时候，全世界还有许多大型望远镜在持续追踪着这颗奇怪的天体。尽管阿伦并没有发现什么可疑信号，但是发现KIC 8462852的故事至少说明，寻找戴森球已经不完全是个科幻概念，人类已经具备了这一能力。在这个思路的指引下，我们寻找外星智慧生命的视野将会极大拓展，因为我们可以抛开解码无线电信号、或是寻找类地行星的局限，直接通过观测恒星光谱来尝试寻找一个高度先进的外星文明了。

　　 03

　　 “我是地球人，我在这儿”

除了寻找，人类更激进的尝试是直接向太空广播，让“别人”感知到我们的存在。当然，这样我们需要解决的问题比被动等待要多得多，地球人类目前的技术水平没办法对着全宇宙广播，因此需要挑选出极少一部分星体进行有针对性的信息发送，这是难点之一：我们怎么知道应该冲着哪些星星打招呼呢？我们又怎么知道和“他们”说什么？要知道，演化了区区十几万年的地球人，已经发展出成百上千的语言类别。可想而知，彼此远隔千万光年、所处环境截然不同的文明之间肯定有着巨大的交流障碍。

所以从某种意义上说，主动广播有点像行为艺术，与其说真的和外星智慧生命建立联系，倒不如说是在信息爆炸的现代社会，给地球人一个总结和反省自身的机会。上点年纪的读者可能都记得著名的旅行者金唱片。1977年，美国发射的两艘旅行者探测器（旅行者1号和2号）上分别携带了一张镀金的唱片，里面记录了用55种人类语言录制的问候语（也包括了我们的普通话、粤语、闽南语和吴语），来自地球的声音和图像，甚至还有美国总统和联合国秘书长的问候（难道我们还期待外星人能够理解巴赫的音乐有多美，什么是联合国，秘书长是干嘛的么）！

　　 旅行者金唱片的封面。图案上半部分主要是提供了简单的解读唱片内信息的方法（例如左上部分就是介绍如何置放唱片针、转速多块等等；右上部分介绍的是如何将唱片里的模拟信号转换为二进制信号从而读出图片、音乐等信息）。下半部分的信息是太阳系在银河系中的位置（左下），和氢原子的能级转换时间（右下）。2013年，旅行者1号历经36年187亿公里的远行，终于离开太阳系，进入人类从未涉足过的恒星际空间，带着全人类的光荣和梦想向银河系深处挺进。尽管电池失效的她再也不会向地球发回任何信号，但是想到在茫茫宇宙中还有这么一颗人类文明的小小种子，全人类都应该感到骄傲、温暖和团结。

说到底，不管是思辨式的费米悖论和德雷克公式，还是实践中的SETI和各种主动广播，都还没有提供任何提示存在外星智慧生命的线索。而且悲观的估计，在我们每个人的有生之年可能都难以得到哪怕一点有意义的线索。毕竟，前后几十年的光阴、直径几千公里的地球，在大宇宙里实在是太微不足道了。

举例来说吧，1974年，位于加勒比海波多黎各的阿雷西博射电望远镜，向两万五千光年以外的M13星系团发射了著名的“阿雷西博信息”，这条长约210比特、功率1000千瓦的信息描述了十进制、DNA的化学构成、人类的外貌、太阳系的结构以及阿雷西博望远镜的样貌――这些信息可以说浓缩了当时人类文明的最高成就。即便这些微弱的信号真的能跨越两万五千光年的距离、即便是M13星系团上真的有智慧生命解读了这条信息、即便是他们回复了地球人的呼叫，我们需要等待五万年才能听到他们的答复！而五万年前，人类的先祖们还在源源不断走出非洲，现代中国人的祖先还在漫漫迁徙路上。五万年后的人类相比今天会有怎样的变化，当他们（万一）接收到了来自M13星系团的回答，会是什么样的心情？

　　 04

　　 地球人和外星人

既然在寻找外星生命的漫长旅程中，我们往往只能被动等待，不妨反求诸己，追问一下地球上的智慧生命――也就是我们自身――到底是怎么来的，又是如何演变到今天这样。也许这也可以帮助我们更好理解外星生命是否存在，他们大致会是什么样子。

带着这个目的，我来讲讲人类的生命和智慧背后的生物学故事。关于物种起源、人类进化、和人类的头脑，已经有很多伟大的科普著作进行过精彩的论述，我无意超越它们。我想要讲述的，是究竟有哪些不可或缺的要素催生了地球人类和人类文明，理解这些要素是否能帮助我们想象、乃至理解外星人和外星智慧。

四十五亿年前，炽热的原始地球在宇宙尘埃的余烬中逐渐成形，并慢慢冷却形成坚硬的外壳。外壳不断地被撕裂又闭合，岩浆从地底深处带来的浓烟笼罩大地，而彗星这样的宇宙流浪者为地球带来了最早的水。在这个表面被沸腾的海洋覆盖、终日雷鸣电闪、饱受火山喷发和陨石雨摧残的地球上，生命开始了她漫长的旅程。今天人们找到的化石证据证明，最晚在三十五亿年前，地球上已经出现了细菌，而间接的证据（例如碳同位素）提示我们，在四十多亿年前炼狱般的地球，已经有了生命的痕迹！

斗转星移沧海桑田，一种分类学上被归入脊索动物门、脊椎动物亚门、哺乳纲、真兽亚纲、灵长目、类人猿亚目、人科、人属智人种（Homo sapiens）的生物，作为我们星球上的唯一一种智慧生命统治着地球。人类的进化史无法一一尽数，但那些尖峰时刻必须要去铭记。

让我们开始吧！

　　 敬请期待下文，生命的秘密（二）：能量――生命大厦建筑师。

　　 本文与王立铭的个人微信公众号“以负墒为生”同步推送。

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