宇宙探索：銀河系里有多少外星人?


圖片來源：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)。利用這個方程，他計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)代無線電通信技術(shù)與我們?nèi)〉寐?lián)系。Sagan的估計從“可憐的極少數(shù)”到數(shù)百萬不等。Sagan以他獨特的方式吟誦道：“如果一個文明在發(fā)明射電天文學(xué)后不總是很快地自我毀滅，那么天空就可能會輕輕嗡響，把來自星星的信息發(fā)送給我們。”
Sagan對一個文明能否在自己的技術(shù)“青春期”中生存持悲觀態(tài)度。“青春期”指的是文明發(fā)展的過渡期，比如核能、生物工程或無數(shù)其他強大能力，這期間很容易自我毀滅。從本質(zhì)上講，他對泛星系生命和智慧的存在持樂觀態(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，因為地質(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，那時我們的地球剛從熾熱中充分冷卻下來。如果像我們的世界一樣，其他星球上的生命迅速出現(xiàn)，并隨著時間的推移變得越來越復(fù)雜，也許智能和技術(shù)也可能在整個宇宙中普遍存在。
然而，近年來，一些持懷疑態(tài)度的天文學(xué)家試圖用貝葉斯統(tǒng)計這種復(fù)雜的方式分析，在這些聲明背后加入更多的經(jīng)驗分量。他們專注于兩個巨大的未知因素：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，天文學(xué)家也不同意這些結(jié)果對宇宙其他地方的生命有任何意義，因為即使是最好的貝葉斯分析法，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），計算出銀河系中能夠通過無線電波發(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，每一個因素都量化了我們對銀河系、行星、生命和智慧的某些方面的知識。
這些因素包括?p（太陽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:“在Drake寫下（這個方程）的時候，甚至在25年前，這些因素中幾乎任何一個都可能是導(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。簡而言之，銀河系似乎不缺少可以孕育生命的地方。然而，“在整個因素鏈中，有一個最大的不確定性，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。
忽視這種不確定性會導(dǎo)致天文學(xué)家做出相當(dāng)大膽的斷言。例如，上個月，英國諾丁漢大學(xué)的Tom Westby和Christopher Conselice計算出銀河系中至少有36個智慧文明能夠與我們交流，這一結(jié)果登上了新聞頭條。這一估計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：“這只是一個非常具體而有力的假設(shè)。我沒有看到任何證據(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)的可能性的問題是非常困難的，因為科學(xué)家只有一個已知條件：地球上孕育出了生命?！拔覀冞B一個完整的數(shù)據(jù)點都沒有，”Kipping說?！拔覀兩踔敛恢赖厍蛏系纳螘r出現(xiàn)，即便知道也沒有定論?！?br> 另一個基于我們觀察到的假設(shè)的問題是所謂的“選擇偏差”。想象一下，你買彩票，在第100次時中了頭獎，你可能會認(rèn)為中彩票的概率是1%。這個錯誤結(jié)論就是一種選擇偏差，如果你只考慮到中獎?wù)叨鴽]有考慮失敗的人（即數(shù)千萬購買彩票但從未中獎的人），就會出現(xiàn)這種偏差。當(dāng)談到計算“非生物起源”的概率時，Kipping說：“我們無法了解失敗的情況。所以這就是為什么我們在這個問題上處于非常具有挑戰(zhàn)性的位置。”
再說說貝葉斯分析。該技術(shù)使用了貝葉斯定理，該定理以18世紀(jì)英國統(tǒng)計學(xué)家和長老會大臣Thomas Bayes的名字命名。為了計算某些事件發(fā)生的幾率（比如“非生物起源”），天文學(xué)家首先要得出一個可能的概率分布——相當(dāng)于一種最準(zhǔn)確的猜測。例如，我們可以假設(shè)“非生物起源”的時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1億年之間。這些假設(shè)被稱為貝葉斯先驗，并且它們是明確的。然后統(tǒng)計學(xué)家收集數(shù)據(jù)或證據(jù)。最后，他們結(jié)合先驗和證據(jù)來計算所謂的后驗概率。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。后驗不是一個單一的數(shù)字，而是一個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”的可能性隨著時間的推移而增加或減少，而不是先驗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最短年限(tmin)才會出現(xiàn)。如果生命在某個最大時間（tmax）之前沒有出現(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間才會出現(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)化理論對智能生命出現(xiàn)的解釋，Turner和Spiegel就能夠計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，但后人并沒有對這種可能性設(shè)定任何下限。“計算沒有排除非常低的概率，這是一種統(tǒng)計上的常識，”Turner說。盡管生命在地球上迅速出現(xiàn)，但“非生物起源”可能仍然是一個極其罕見的過程。
“Turner和Spiegel的努力嘗試是對這個問題的第一次真正嚴(yán)肅的貝葉斯進(jìn)擊，”Kipping說?！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。”
盡管如此，Kipping認(rèn)為研究人員的工作并非沒有缺點，他現(xiàn)在試圖用他自己的更詳盡的貝葉斯分析來糾正它。例如，Kipping質(zhì)疑了智力在“非生物起源”后的某個固定時間出現(xiàn)的假設(shè)。他說，這可能是選擇偏見的另一個例子，選擇偏見是一種受我們自身智力產(chǎn)生的進(jìn)化路徑影響的概念。“本著編碼你所有的無知的精神，為什么不承認(rèn)你也不知道那個數(shù)字呢?””Kipping說，“如果你試圖推斷生命出現(xiàn)需要多長時間，那么為什么不同時研究智力呢?”
這一建議正是Kipping所嘗試的，他對“非生物起源”和智慧出現(xiàn)的概率進(jìn)行了估計。他選擇了“Jeffreys先驗”，這是由另一位英國統(tǒng)計學(xué)家和天文學(xué)家Harold Jeffreys設(shè)計的。據(jù)說它是最大程度的無信息。因為Jeffreys先驗沒有考慮大量的假設(shè)，它更看重的是證據(jù)。Turner和Spiegel也曾試圖找到一個無信息的先驗。
Turner說：“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，那么你需要一個無信息的先驗?！痹谒麄?012年的分析中，研究人員使用了三個先驗，其中一個是信息最不充分的，但那時他們沒有使用Jeffreys 先驗，盡管他們意識到了這一點。


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在Kipping的計算中，先驗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；生命罕見，智慧普遍；生命罕見，智慧罕見。在貝葉斯分析開始之前，所有四個象限的可能性都是一樣的。
Turner同意使用Jeffreys先驗是一個重大的進(jìn)步?！斑@真的是我們擁有的最好的方式，純粹去詢問數(shù)據(jù)試圖告訴你什么”他說。
Kipping將Jeffreys先驗與地球上生命出現(xiàn)和智慧出現(xiàn)的稀有證據(jù)相結(jié)合，得到了后驗概率分布，這使他能夠計算出四個象限的新概率。例如，他發(fā)現(xiàn)，“生命普遍，智慧罕見”的情況比“生命罕見，智慧罕見”的情況多9倍。即使智慧并不罕見，“生命普遍”這種情況的最小優(yōu)勢比也只有9比1。Kipping說，“這種幾率不是人們會賭上房子的那種。你很可能輸?shù)糍€注。”
不過，他說，這種計算“是一個積極的跡象，表明那里應(yīng)該存在生命。這至少說明，生命起源并不是一個艱難的過程。”
并非所有的貝葉斯統(tǒng)計學(xué)家都同意這一觀點。Turner對這一結(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)這一事實更支持“非生物起源”是普遍的這一假設(shè)，具體的優(yōu)勢比為9:1。但是Turner說，這個計算結(jié)果并不意味著這個模型的真實性9倍于[“非生物起源”現(xiàn)象是罕見的]模型。他還說，Kipping的解釋“有點過于樂觀了”。
Turner對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為宇宙中稀有的生命和智慧留下空間?！拔覀儗Φ厍蛏仙牧私獠⒉荒芘懦@些可能性”他說。
不只是貝葉斯統(tǒng)計學(xué)家對Kipping的解釋有異議。任何對生命起源問題感興趣的人都會對他的解釋持懷疑態(tài)度，因為任何分析都要基于地球上生命的地質(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)中沒有一個能明確非生物發(fā)生和智力出現(xiàn)的時間線。
哥倫比亞大學(xué)的天文學(xué)家和天體生物學(xué)家Caleb Scharf說：“我們?nèi)匀辉谂Χx生命系統(tǒng)。從科學(xué)的定義來看，這是一頭難以捉摸的野獸。這對于關(guān)于‘非生物起源’的時間，甚至是關(guān)于智力進(jìn)化的陳述來說都是有問題的?！?br> 如果我們有嚴(yán)格的定義，問題仍然存在?！拔覀儾恢郎欠耖_始、停止、重新開始。我們也不知道生命是否只能以一種方式構(gòu)建，”Scharf說。地球何時適宜生命生存？當(dāng)它出現(xiàn)時，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始?“不確定性非常多，”Scharf說。
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數(shù)據(jù)點，[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，“我們沒有必要去調(diào)查銀河系中的每一顆恒星，以弄清楚某個地方是否可能存在生命。再多一兩個數(shù)據(jù)點，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)果會相當(dāng)有力?！?br> 作者：Anil Ananthaswamy
翻譯：張玉
審校：施懌
引進(jìn)來源：科學(xué)美國人
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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