宇宙探索：銀河系里有多少外星人?


圖片來(lái)源：Pixabay
在1980年12月14日播出的紀(jì)錄片《宇宙》第12集中，該節(jié)目的聯(lián)合創(chuàng)作人兼主持人Carl Sagan向電視觀眾介紹了天文學(xué)家Frank Drake提出的德雷克方程(Drake equation)。利用這個(gè)方程，他計(jì)算出了銀河系中可能有多少先進(jìn)文明可以利用外太空的現(xiàn)代無(wú)線電通信技術(shù)與我們?nèi)〉寐?lián)系。Sagan的估計(jì)從“可憐的極少數(shù)”到數(shù)百萬(wàn)不等。Sagan以他獨(dú)特的方式吟誦道：“如果一個(gè)文明在發(fā)明射電天文學(xué)后不總是很快地自我毀滅，那么天空就可能會(huì)輕輕嗡響，把來(lái)自星星的信息發(fā)送給我們?！?br> Sagan對(duì)一個(gè)文明能否在自己的技術(shù)“青春期”中生存持悲觀態(tài)度?！扒啻浩凇敝傅氖俏拿靼l(fā)展的過(guò)渡期，比如核能、生物工程或無(wú)數(shù)其他強(qiáng)大能力，這期間很容易自我毀滅。從本質(zhì)上講，他對(duì)泛星系生命和智慧的存在持樂(lè)觀態(tài)度。但他的信仰的科學(xué)基礎(chǔ)卻是不可靠的。Sagan和其他人懷疑，生命出現(xiàn)于溫和的環(huán)境中是宇宙的必然事件，因?yàn)榈刭|(zhì)證據(jù)表明，生命在地球上出現(xiàn)的速度快得令人震驚——約40億年前，那時(shí)我們的地球剛從熾熱中充分冷卻下來(lái)。如果像我們的世界一樣，其他星球上的生命迅速出現(xiàn)，并隨著時(shí)間的推移變得越來(lái)越復(fù)雜，也許智能和技術(shù)也可能在整個(gè)宇宙中普遍存在。
然而，近年來(lái)，一些持懷疑態(tài)度的天文學(xué)家試圖用貝葉斯統(tǒng)計(jì)這種復(fù)雜的方式分析，在這些聲明背后加入更多的經(jīng)驗(yàn)分量。他們專注于兩個(gè)巨大的未知因素：在類地行星上，生命從非生物環(huán)境中誕生的可能性——這一過(guò)程被稱為“非生物起源”，以及由此產(chǎn)生智慧生命的可能性。即使有了這樣的估計(jì)，天文學(xué)家也不同意這些結(jié)果對(duì)宇宙其他地方的生命有任何意義，因?yàn)榧词故亲詈玫呢惾~斯分析法，也只是基于地球得出的結(jié)論，還缺乏關(guān)于地外生命和智慧的確鑿證據(jù)。
1961年，天文學(xué)家Drake提出了德雷克方程（Drake equation），計(jì)算出銀河系中能夠通過(guò)無(wú)線電波發(fā)送或接收星際信息的文明的數(shù)量。它依賴于許多因素的相乘，每一個(gè)因素都量化了我們對(duì)銀河系、行星、生命和智慧的某些方面的知識(shí)。
這些因素包括?p（太陽(yáng)系外行星的恒星的比例）；ne（系外可居住行星的數(shù)目）；?l（可居住行星的生命出現(xiàn)的比例）等等。
普林斯頓大學(xué)的天體物理學(xué)家Ed Turner說(shuō):“在Drake寫(xiě)下（這個(gè)方程）的時(shí)候，甚至在25年前，這些因素中幾乎任何一個(gè)都可能是導(dǎo)致生命非常稀少的因素”?，F(xiàn)在我們知道，環(huán)繞恒星的世界普遍存在，那些在最基本的大小、質(zhì)量和日照方面與地球相似的行星也很常見(jiàn)。簡(jiǎn)而言之，銀河系似乎不缺少可以孕育生命的地方。然而，“在整個(gè)因素鏈中，有一個(gè)最大的不確定性，就是生命誕生的可能性——即在合適的條件下，從化學(xué)到生命的飛躍”Turner說(shuō)。
忽視這種不確定性會(huì)導(dǎo)致天文學(xué)家做出相當(dāng)大膽的斷言。例如，上個(gè)月，英國(guó)諾丁漢大學(xué)的Tom Westby和Christopher Conselice計(jì)算出銀河系中至少有36個(gè)智慧文明能夠與我們交流，這一結(jié)果登上了新聞?lì)^條。這一估計(jì)是基于這樣一種假設(shè)，即智慧生命在類地行星形成45億至55億年后才出現(xiàn)。
哥倫比亞大學(xué)的天文學(xué)家David Kipping說(shuō)：“這只是一個(gè)非常具體而有力的假設(shè)。我沒(méi)有看到任何證據(jù)表明這是有百分百把握的事情。”
回答關(guān)于“非生物起源”和智慧出現(xiàn)的可能性的問(wèn)題是非常困難的，因?yàn)榭茖W(xué)家只有一個(gè)已知條件：地球上孕育出了生命。“我們連一個(gè)完整的數(shù)據(jù)點(diǎn)都沒(méi)有，”Kipping說(shuō)。“我們甚至不知道地球上的生命何時(shí)出現(xiàn)，即便知道也沒(méi)有定論?！?br> 另一個(gè)基于我們觀察到的假設(shè)的問(wèn)題是所謂的“選擇偏差”。想象一下，你買(mǎi)彩票，在第100次時(shí)中了頭獎(jiǎng)，你可能會(huì)認(rèn)為中彩票的概率是1%。這個(gè)錯(cuò)誤結(jié)論就是一種選擇偏差，如果你只考慮到中獎(jiǎng)?wù)叨鴽](méi)有考慮失敗的人（即數(shù)千萬(wàn)購(gòu)買(mǎi)彩票但從未中獎(jiǎng)的人），就會(huì)出現(xiàn)這種偏差。當(dāng)談到計(jì)算“非生物起源”的概率時(shí)，Kipping說(shuō)：“我們無(wú)法了解失敗的情況。所以這就是為什么我們?cè)谶@個(gè)問(wèn)題上處于非常具有挑戰(zhàn)性的位置?！?br> 再說(shuō)說(shuō)貝葉斯分析。該技術(shù)使用了貝葉斯定理，該定理以18世紀(jì)英國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家和長(zhǎng)老會(huì)大臣Thomas Bayes的名字命名。為了計(jì)算某些事件發(fā)生的幾率（比如“非生物起源”），天文學(xué)家首先要得出一個(gè)可能的概率分布——相當(dāng)于一種最準(zhǔn)確的猜測(cè)。例如，我們可以假設(shè)“非生物起源”的時(shí)間可能在地球形成后的1億到2億年之間，也可能在地球形成后的2億到3億年之間，或者在地球歷史的任何一個(gè)1億年之間。這些假設(shè)被稱為貝葉斯先驗(yàn)，并且它們是明確的。然后統(tǒng)計(jì)學(xué)家收集數(shù)據(jù)或證據(jù)。最后，他們結(jié)合先驗(yàn)和證據(jù)來(lái)計(jì)算所謂的后驗(yàn)概率。在“非生物起源”的情況下，根據(jù)我們之前的假設(shè)和證據(jù)，這種可能性就是在類地行星上出現(xiàn)生命的可能性。后驗(yàn)不是一個(gè)單一的數(shù)字，而是一個(gè)量化任何不確定性的概率分布。例如，它可能顯示，“非生物起源”的可能性隨著時(shí)間的推移而增加或減少，而不是先驗(yàn)所暗示的均勻概率分布。


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2012年，Turner和他的同事、當(dāng)時(shí)在新澤西州普林斯頓高等研究院（Institute for Advanced Study in Princeton, N.J.）工作的David Spiegel，首次嚴(yán)格地將貝葉斯分析應(yīng)用于“非生物起源”研究。按照他們的方法，在類日恒星周圍的類地行星上的生命要到世界形成后的某個(gè)最短年限(tmin)才會(huì)出現(xiàn)。如果生命在某個(gè)最大時(shí)間（tmax）之前沒(méi)有出現(xiàn)，隨著它的恒星老化（并最終死亡），該行星上的條件將變得非常惡劣，不可能有自然生物發(fā)生。Turner和Spiegel的目的是計(jì)算tmin和tmax之間“非生物起源”的概率。
研究人員研究了幾種不同的概率分布。他們還假設(shè)，在“非生物起源”之后，智慧需要一段固定的時(shí)間才會(huì)出現(xiàn)。
有了這樣的假設(shè)——地球上生命起源的地球物理學(xué)和古生物學(xué)證據(jù)，以及進(jìn)化理論對(duì)智能生命出現(xiàn)的解釋，Turner和Spiegel就能夠計(jì)算出非生物起源的不同后概率分布。雖然生命早期出現(xiàn)在地球上的證據(jù)可能表明非“非生物起源”是相當(dāng)容易的，但后人并沒(méi)有對(duì)這種可能性設(shè)定任何下限。“計(jì)算沒(méi)有排除非常低的概率，這是一種統(tǒng)計(jì)上的常識(shí)，”Turner說(shuō)。盡管生命在地球上迅速出現(xiàn)，但“非生物起源”可能仍然是一個(gè)極其罕見(jiàn)的過(guò)程。
“Turner和Spiegel的努力嘗試是對(duì)這個(gè)問(wèn)題的第一次真正嚴(yán)肅的貝葉斯進(jìn)擊，”Kipping說(shuō)?！拔艺J(rèn)為吸引人的是，他們打破了這種默認(rèn)的、關(guān)于早期生命出現(xiàn)的天真解釋?！?br> 盡管如此，Kipping認(rèn)為研究人員的工作并非沒(méi)有缺點(diǎn)，他現(xiàn)在試圖用他自己的更詳盡的貝葉斯分析來(lái)糾正它。例如，Kipping質(zhì)疑了智力在“非生物起源”后的某個(gè)固定時(shí)間出現(xiàn)的假設(shè)。他說(shuō)，這可能是選擇偏見(jiàn)的另一個(gè)例子，選擇偏見(jiàn)是一種受我們自身智力產(chǎn)生的進(jìn)化路徑影響的概念?！氨局幋a你所有的無(wú)知的精神，為什么不承認(rèn)你也不知道那個(gè)數(shù)字呢?””Kipping說(shuō)，“如果你試圖推斷生命出現(xiàn)需要多長(zhǎng)時(shí)間，那么為什么不同時(shí)研究智力呢?”
這一建議正是Kipping所嘗試的，他對(duì)“非生物起源”和智慧出現(xiàn)的概率進(jìn)行了估計(jì)。他選擇了“Jeffreys先驗(yàn)”，這是由另一位英國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家和天文學(xué)家Harold Jeffreys設(shè)計(jì)的。據(jù)說(shuō)它是最大程度的無(wú)信息。因?yàn)镴effreys先驗(yàn)沒(méi)有考慮大量的假設(shè)，它更看重的是證據(jù)。Turner和Spiegel也曾試圖找到一個(gè)無(wú)信息的先驗(yàn)。
Turner說(shuō)：“如果你想知道數(shù)據(jù)告訴了你什么，而不是你之前的想法，那么你需要一個(gè)無(wú)信息的先驗(yàn)?！痹谒麄?012年的分析中，研究人員使用了三個(gè)先驗(yàn)，其中一個(gè)是信息最不充分的，但那時(shí)他們沒(méi)有使用Jeffreys 先驗(yàn)，盡管他們意識(shí)到了這一點(diǎn)。


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在Kipping的計(jì)算中，先驗(yàn)的注意力集中在他稱之為參數(shù)空間的“四象限”上：生命普遍，智慧普遍；生命普遍，智慧罕見(jiàn)；生命罕見(jiàn)，智慧普遍；生命罕見(jiàn)，智慧罕見(jiàn)。在貝葉斯分析開(kāi)始之前，所有四個(gè)象限的可能性都是一樣的。
Turner同意使用Jeffreys先驗(yàn)是一個(gè)重大的進(jìn)步。“這真的是我們擁有的最好的方式，純粹去詢問(wèn)數(shù)據(jù)試圖告訴你什么”他說(shuō)。
Kipping將Jeffreys先驗(yàn)與地球上生命出現(xiàn)和智慧出現(xiàn)的稀有證據(jù)相結(jié)合，得到了后驗(yàn)概率分布，這使他能夠計(jì)算出四個(gè)象限的新概率。例如，他發(fā)現(xiàn)，“生命普遍，智慧罕見(jiàn)”的情況比“生命罕見(jiàn)，智慧罕見(jiàn)”的情況多9倍。即使智慧并不罕見(jiàn)，“生命普遍”這種情況的最小優(yōu)勢(shì)比也只有9比1。Kipping說(shuō)，“這種幾率不是人們會(huì)賭上房子的那種。你很可能輸?shù)糍€注?！?br> 不過(guò)，他說(shuō)，這種計(jì)算“是一個(gè)積極的跡象，表明那里應(yīng)該存在生命。這至少說(shuō)明，生命起源并不是一個(gè)艱難的過(guò)程?！?br> 并非所有的貝葉斯統(tǒng)計(jì)學(xué)家都同意這一觀點(diǎn)。Turner對(duì)這一結(jié)果做出了不同的的解釋。盡管Kippimg的分析表明，生命在地球歷史的早期出現(xiàn)這一事實(shí)更支持“非生物起源”是普遍的這一假設(shè)，具體的優(yōu)勢(shì)比為9:1。但是Turner說(shuō)，這個(gè)計(jì)算結(jié)果并不意味著這個(gè)模型的真實(shí)性9倍于[“非生物起源”現(xiàn)象是罕見(jiàn)的]模型。他還說(shuō)，Kipping的解釋“有點(diǎn)過(guò)于樂(lè)觀了”。
Turner對(duì)Kipping的研究表示贊賞，他認(rèn)為，即使是最復(fù)雜的貝葉斯分析也會(huì)為宇宙中稀有的生命和智慧留下空間。“我們對(duì)地球上生命的了解并不能排除這些可能性”他說(shuō)。
不只是貝葉斯統(tǒng)計(jì)學(xué)家對(duì)Kipping的解釋有異議。任何對(duì)生命起源問(wèn)題感興趣的人都會(huì)對(duì)他的解釋持懷疑態(tài)度，因?yàn)槿魏畏治龆家诘厍蛏仙牡刭|(zhì)、地球物理、古生物學(xué)、考古學(xué)和生物學(xué)證據(jù)，而這些證據(jù)中沒(méi)有一個(gè)能明確非生物發(fā)生和智力出現(xiàn)的時(shí)間線。
哥倫比亞大學(xué)的天文學(xué)家和天體生物學(xué)家Caleb Scharf說(shuō)：“我們?nèi)匀辉谂Χx生命系統(tǒng)。從科學(xué)的定義來(lái)看，這是一頭難以捉摸的野獸。這對(duì)于關(guān)于‘非生物起源’的時(shí)間，甚至是關(guān)于智力進(jìn)化的陳述來(lái)說(shuō)都是有問(wèn)題的。”
如果我們有嚴(yán)格的定義，問(wèn)題仍然存在?！拔覀儾恢郎欠耖_(kāi)始、停止、重新開(kāi)始。我們也不知道生命是否只能以一種方式構(gòu)建，”Scharf說(shuō)。地球何時(shí)適宜生命生存？當(dāng)它出現(xiàn)時(shí)，這種“生命”氨基酸的第一批分子是RNA還是脂膜?在生命第一次出現(xiàn)之后，它是否曾經(jīng)被地球歷史早期的一些災(zāi)難性事件所消滅，然后又以一種可能不同的方式重新開(kāi)始?“不確定性非常多，”Scharf說(shuō)。
所有這些粗略的證據(jù)使貝葉斯分析變得困難，但作為一項(xiàng)技術(shù)，它仍然是處理更多證據(jù)的最適合的方法——比如，發(fā)現(xiàn)過(guò)去火星上存在生命跡象，或者目前在木衛(wèi)二上存在生命跡象。
“一旦我們有了另一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，[貝葉斯模型]就是最好地利用這些額外數(shù)據(jù)的方法。突然之間，不確定性急劇減少?！盨charf說(shuō)，“我們沒(méi)有必要去調(diào)查銀河系中的每一顆恒星，以弄清楚某個(gè)地方是否可能存在生命。再多一兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，我們就能從本質(zhì)上了解宇宙產(chǎn)生生命或智慧的傾向。這下得到的結(jié)果會(huì)相當(dāng)有力。”
作者：Anil Ananthaswamy
翻譯：張玉
審校：施懌
引進(jìn)來(lái)源：科學(xué)美國(guó)人
引進(jìn)鏈接：https://www.scientificamerican.com/article/how-many-aliens-are-in-the-milky-way-astronomers-turn-to-statistics-for-answers/


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