蓋亞對(duì)銀河系和鄰近星系的全天視圖，基于對(duì)近17億顆恒星的測(cè)量。這張地圖用不同的亮度和顏色顯示了2014年7月至2016年5月期間航天局衛(wèi)星在天空各部分觀測(cè)到的恒星總態(tài)勢(shì)。較亮的區(qū)域表示特別明亮的恒星密度較高，而較暗的區(qū)域?qū)?yīng)的是觀測(cè)到較少明亮恒星的天空斑塊。顏色表示是通過將光的總量與蓋亞在天空中每個(gè)區(qū)域記錄的藍(lán)光和紅光的總量相結(jié)合而獲得的。在圖像中占主導(dǎo)地位的明亮的水平結(jié)構(gòu)是銀面，這個(gè)扁平的圓盤容納了我們銀河系中的大多數(shù)恒星。在圖像的中間，銀河系中心看起來很生動(dòng)，布滿了星星。

新的研究表明，我們的星系是群星薈萃還是空空如也。兩者都一樣令人生畏!I

宇宙中真的存在智慧生命嗎?假如存在，它有多普遍?換個(gè)角度看，那些從事搜尋地外智慧生命(SETI)的人有多大的幾率會(huì)在宇宙某個(gè)角落遇到它?幾十年來，科學(xué)家們?cè)谶@個(gè)話題上產(chǎn)生了激烈的辯論，并且不遺余力。從許多已經(jīng)發(fā)表的論文和研究中，分出了個(gè)主要陣營(yíng):那些認(rèn)為生命在我們的銀河系中很常見(又名;SETI樂觀主義者)和那些認(rèn)為地外智慧生物稀少或根本不存在的人(SETI悲觀主義者)

最新觀點(diǎn)表明，大衛(wèi)· 基平(“Cool Worlds”教授本人)和杰蘭特·劉易斯更深入地研究了這一爭(zhēng)論，并基于一種被稱為Jayne實(shí)驗(yàn)的概率分析形式提出了新的觀點(diǎn)。通過將這種方法應(yīng)用于天體生物學(xué)和德雷克方程，他們得出結(jié)論，銀河系中是否存在智慧生命被定義為一個(gè)“要么全有，要么全無”的命題。引用已故的偉大科學(xué)家和科幻小說作家阿瑟·c·克拉克(Arthur C. Clarke)的話:“存在兩種可能性:我們?cè)谟钪嬷校词枪陋?dú)的，要么很恐怖。”

大衛(wèi)·基平是一位哥倫比亞大學(xué)的天文學(xué)副教授，且在哈佛大學(xué)天文臺(tái)時(shí)是卡爾·薩根麾下的研究生。他也是哥倫比亞“"酷世界實(shí)驗(yàn)室"”欄目首席觀察員，專注于研究和描述系外行星系統(tǒng)。杰倫特·路易斯是悉尼天文所（隸屬于悉尼大學(xué)物理學(xué)院）的天體物理學(xué)教授。他們的論文《“地外文明探尋計(jì)劃樂觀主義者”是否有一個(gè)微調(diào)問題？》最近出現(xiàn)在網(wǎng)上且在進(jìn)行《國(guó)際外星生物學(xué)雜志》的刊登前審核。

德雷克公式

1961年知名天文學(xué)家弗蘭克·德雷克在西弗吉尼亞的格林班克天文臺(tái)主持了第一場(chǎng)“地外文明探尋計(jì)劃“會(huì)議。在準(zhǔn)備此活動(dòng)時(shí)，他推出了一個(gè)公式總結(jié)了”地外文明探尋計(jì)劃”研究者面對(duì)的挑戰(zhàn)。即著名的德雷克公式，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

N = R* × fp × ne × fl × fi × fc × L

其中：

N代表當(dāng)前在我們星系活躍可交流的文明水平

R*代表我們星系中形成恒星占比

fp代表有行星繞行的恒星的分率

ne代表有生命潛能的行星數(shù)，單位：個(gè)行星/每恒星

fl代表實(shí)際發(fā)展出任意生命體的占比

fi代表進(jìn)化出智慧生命體的占比

fc代表演變出星際交流能力的占比

L代表這種活躍交流的文明持續(xù)的時(shí)長(zhǎng)

德雷克方程并不是為了估計(jì)銀河系中外星文明(ETCs)的數(shù)量，而是為了激發(fā)關(guān)于外星文明探索計(jì)劃的對(duì)話。自從德雷克第一次提出這個(gè)方程以來，這個(gè)方程不斷受到批評(píng)、補(bǔ)充和修訂，并且在這個(gè)過程中經(jīng)常被歪曲。正如基平教授通過電子郵件向《今日宇宙》說明的那樣，部分問題在于數(shù)值總是被隨意應(yīng)用于參數(shù):

由于我們對(duì)大多數(shù)參數(shù)的不了解，加上純粹的猜測(cè)，自顧自地認(rèn)為它應(yīng)該被標(biāo)記為這樣。經(jīng)常被忽略的另一點(diǎn)是，它代表了文明的平均值，可作為潛在分布的期望值。如今，批評(píng)德雷克方程式已經(jīng)變成了一種運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然，任何通過它來計(jì)算的人都應(yīng)該受到公平的評(píng)判，但其基本思想應(yīng)該肯定。不限于對(duì)一些文明存在的既定認(rèn)知，原則上我們可以收集相關(guān)參數(shù)直接得出結(jié)論。癥結(jié)在于精確的公式，包括了哪些參數(shù)，意味著通過它們?nèi)绾翁幚頃r(shí)間變化等細(xì)微差別。”

杰恩斯的實(shí)驗(yàn)

埃德溫·杰恩斯(1922-1998)是1968年畢業(yè)于圣路易斯華盛頓大學(xué)的威曼·克勞杰出的物理學(xué)教授。他設(shè)想了這樣一個(gè)實(shí)：在實(shí)驗(yàn)室里，一個(gè)人面前擺著一個(gè)瓶子，里面裝著一種未知的、沒有標(biāo)簽的化合物(化學(xué)物質(zhì)X)。在實(shí)驗(yàn)室的工作臺(tái)上，有很多裝滿水的燒杯，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是為了測(cè)試化學(xué)物質(zhì)X在里面溶解的頻率。杰恩斯認(rèn)為，人們應(yīng)該預(yù)料到這種化合物要么在幾乎所有情況下都溶解，要么幾乎從不溶解。

、

霍爾丹先驗(yàn)函數(shù)(F - 1(1 - F) - 1)映射出這種行為。影片來源:D.基平和G.劉易斯(2024)。

當(dāng)繪制在圖表上時(shí)，概率分布將是碗狀的，值在0和1之間。正如基平深入解釋的:

杰恩斯設(shè)想了一系列被稱之為伯努利實(shí)驗(yàn)的東西——也就是說，返回是/否答案的實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)際上可以是任何東西，但作為一個(gè)例子，他想象將一種未知的化學(xué)物質(zhì)溶解到一系列裝有水的燒杯中，然后問——它們中有多少會(huì)溶解?另一位科學(xué)家，傳奇人物約翰·霍爾丹(John Haldane)已經(jīng)提出，50%的答案不太可能是先驗(yàn)的。人們應(yīng)該預(yù)料到，它們要么幾乎全部解散，要么幾乎沒有解散。

杰恩斯嚴(yán)格地證明了這一點(diǎn)，并開創(chuàng)了許多客觀貝葉斯推理工具。我們同樣可以用其他問題取代伯努利實(shí)驗(yàn)，比如有多少恒星會(huì)變成黑洞?在獲得任何觀測(cè)結(jié)果之前，50%的答案將是令人驚訝的，這意味著恒星質(zhì)量的分布非常平衡，一半高于臨界質(zhì)量閾值，一半低于臨界質(zhì)量閾值。實(shí)際上，答案是千分之一，這與杰恩的觀點(diǎn)一致。”

由于他對(duì)統(tǒng)計(jì)學(xué)領(lǐng)域的巨大貢獻(xiàn)，杰恩斯被認(rèn)為是“客觀貝葉斯主義”的創(chuàng)始人之一。雖然他的實(shí)驗(yàn)并非有意為之，但基平和劉易斯看到了它在天體生物學(xué)中的潛在應(yīng)用。

一切還是無?

在他1983年的開創(chuàng)性論文《大沉默——關(guān)于外星智慧生命的爭(zhēng)論》中，大衛(wèi)·布林談到了關(guān)于外星生命存在的持續(xù)爭(zhēng)論。從這一點(diǎn)上，他看出了辯論中存在兩個(gè)陣營(yíng):“接觸樂觀主義者”和“接觸悲觀主義者”——或者像基平和劉易斯在他們的論文中提到的，“SETI樂觀主義者”和“SETI悲觀主義者”——相信在我們的銀河系中有人類可以與之接觸的文明，另一種則認(rèn)為這是徒勞的，因?yàn)槿祟愒谟钪嬷惺枪陋?dú)的。

當(dāng)杰恩斯的實(shí)驗(yàn)被應(yīng)用到我們銀河系中智慧生命的問題上時(shí)，我們應(yīng)該預(yù)料到它要么非常普遍，要么非常罕見。在中間，概率分布最弱的地方(即外星生命是不常見的)，是“微調(diào)問題”的癥結(jié)。在宇宙學(xué)和天體生物學(xué)的背景下，微調(diào)指出一個(gè)命題:只有當(dāng)某些宇宙常數(shù)處于一個(gè)非常狹窄的范圍內(nèi)時(shí)，生命的條件才會(huì)發(fā)生。

如果這些基本常數(shù)中的任何一個(gè)稍有不同，宇宙就不利于物質(zhì)、大尺度結(jié)構(gòu)或我們所知的生命的發(fā)展。基平教授解釋說，這給猜外星智慧生命計(jì)劃的樂觀主義者提出了一個(gè)值得思考的事情:

不像我之前給你們的黑洞的例子，這個(gè)問題沒有下界。對(duì)于黑洞，我們從天體物理學(xué)中知道最小和最大的恒星質(zhì)量，它們只有幾個(gè)數(shù)量級(jí)。黑洞的閾值一定在這個(gè)相當(dāng)窄的范圍內(nèi)。當(dāng)談到外星人時(shí)，智慧的可能性可能是1%或0.000....00001%(你喜歡加多少個(gè)零都可以)。

“有了如此廣泛的可能性，SETI的樂觀主義者不得不相信一種相當(dāng)人為的觀點(diǎn)，即%值并沒有高到我們還看不到任何人，但肯定比所謂的低谷要高得多。因此，他們本質(zhì)上有一個(gè)微調(diào)問題，需要在一個(gè)地相當(dāng)狹窄的空間里生活的百分比。”

如果我們的星系充滿了外星文明，肯定會(huì)有我們注意到的跡象，不可否認(rèn)。“如果這聽起來很熟悉，那是因?yàn)檫@個(gè)論點(diǎn)是(我們已經(jīng)寫過的)核心，因此，人們可以將基平和劉易斯的論點(diǎn)解釋為SETI悲觀主義的一個(gè)例子。幸運(yùn)的是，故事并沒有就此打住。

新的形式

面對(duì)這樣的結(jié)果，基平和劉易斯嘗試根據(jù)德雷克方程推導(dǎo)出社會(huì)出生率和死亡率兩個(gè)過程的變形，結(jié)果是，方程中的所有參數(shù)(除了L，社會(huì)意識(shí)形態(tài)的跨度)都變成了一個(gè)參數(shù):社會(huì)的出生率和死亡率(rc)。或者用數(shù)學(xué)方法表示:NC = rc x LC。基平說:

在標(biāo)準(zhǔn)的德雷克方程中，我們經(jīng)常陷入爭(zhēng)論，包括哪些參數(shù)(例如，生命發(fā)展成多細(xì)胞生命的概率是否可預(yù)見)。但不可否認(rèn)的，每一個(gè)文明都必須有始有終，事實(shí)上，我們甚至可以把死亡率設(shè)定為零，這相當(dāng)于無限的生命，如果我們?cè)敢庠谶@個(gè)框架下。在一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，比如一個(gè)培養(yǎng)皿，定義明確的最大種群，我們稱之為承載能力。因此，我們更新了德雷克方程的出生-死亡版本，以解釋這種細(xì)微差別。”

在這種情況下，概率的分布變成了s形(見上圖)，結(jié)論一致:星系要么擁擠，要么虛無。解決這個(gè)問題的一種觀點(diǎn)是，人類可能在外星人出現(xiàn)并開始在整個(gè)星系中擴(kuò)張的時(shí)期存在，因我而們的儀器也可能無法注意到。正如基平和劉易斯所表明的，這也存在微調(diào)問題，因?yàn)樯飳W(xué)表明人口增長(zhǎng)是一種加速現(xiàn)象。

“可見，銀河系的膨脹階段在宇宙時(shí)間量尺上相對(duì)較快;事實(shí)上，瞬間即逝，”基平說。“所以你不太可能生活在這樣一個(gè)階段;你可能生活在星系基本上是空的時(shí)候——在一切發(fā)生之前或之后(事實(shí)上，這是不可能的，因?yàn)樾乔蛞呀?jīng)被殖民了)。費(fèi)米悖論再次抬頭，結(jié)論是，混沌之初，人類要么是孤獨(dú)的，要么是目前存在于銀河系中的少數(shù)文明之一。

ETI的未來？

在認(rèn)為這都是壞消息之前，基平和劉易斯強(qiáng)調(diào)，外星智慧生命計(jì)劃是一個(gè)重要而至關(guān)重要的實(shí)驗(yàn)，值得投入專門的資源。他們總結(jié)道:“雖然成功的可能性很小，但這樣的成功無疑代表了人類歷史上最具影響力的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。”他們還提出了幾個(gè)保持希望的理由，其中包括漢森的假設(shè)，該假設(shè)認(rèn)為人類處于s形曲線的中點(diǎn)，我們將在幾億年后遇到外星智慧生物。

與此同時(shí)，基平還建議智慧生命可以從更廣泛的選擇中受益。像他們的研究表明的那樣，先進(jìn)文明在我們的星系中非常罕見(或根本不存在)，那么我們應(yīng)該尋找銀河系外的來源。他補(bǔ)充說:“我認(rèn)為我最喜歡的出路是，我們的星系只是異常安靜，大多數(shù)星系都很繁忙，充滿了，但我們是銀河系中的第一個(gè)。”這似乎不太可能，但也許出生在一個(gè)繁忙的星系是不可能的，因?yàn)榭删幼〉目臻g已經(jīng)被吞噬了。這表明我們應(yīng)該更加重視銀河系外的智慧生命，這是我們最好的選擇。”

BY：universetoday

供稿：今日宇宙

FY：Astronomical volunteer team

翻譯：天文志愿者團(tuán)隊(duì)

如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請(qǐng)?jiān)谧髌钒l(fā)布后聯(lián)系作者刪除

轉(zhuǎn)載還請(qǐng)取得授權(quán)，并注意保持完整性和注明出處

來源: 天文在線