银河系中只有我们人类文明吗？

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主译：酥油饼

校译：孙宇峰

审阅：牧夫天文校对组

编排：送你一朵量子玫瑰

后台：李子琦

宇宙中除了我们人类自己的文明以外，是否还存在着其它文明？如果存在其它文明的话，那么它们的数量又是多少呢？

根据“德雷克方程”（一种著名的估算文明数量的方法），我们可以推算银河系中存在许多文明。 另一方面，德雷克方程推算的文明数量常常与“费米悖论”相矛盾，因为费米悖论认为我们在更早的时期就应该遇到了外星文明。

美国得克萨斯大学达拉斯分校的Robert J. Stern和瑞士苏黎世联邦理工学院的Taras V. Gerya及其研究小组对“板块运动”(大规模的地壳运动)的持续时间是否可能是生物获得智能和建立文明的关键进行了研究。他们建议修改德雷克方程中的一项，即fi（演化出高智生物的可能性），使之成为 foc（拥有大型大陆和海洋的宜居行星的存在可能性）(*1) 和 fpt（板块运动持续时间超过5亿年的行星的存在可能性）的乘积(*2)。

*1地表温度在液态水能够存在的范围内，并有可能孕育生命的行星被称为“宜居行星”。简单地说，它们就是“和地球类似的行星”。

*2本文使用德雷克方程原本的下标。不过，在某些情况中，可能不会显示下标。

Stern和Gerya基于各种现象，推测生命进化成高智生物的概率为0.003%到0.2%，并估计银河系中的地外文明数量最多为2万个。不过，这只是最大值，悲观地考虑的话，银河系中可能只有一个文明，也就是只存在我们人类文明的可能性最大为0.04%。

关于地外文明的两个相反概念

“德雷克方程”和“费米悖论”

图1:德雷克方程通过将各个要素相乘推算银河系中存在的能够与我们通讯的文明数量。（Credit: 彩恵莉莉）

在广袤无边的宇宙之中，像我们人类这样的文明究竟存在多少个呢？天文学家弗兰克·德雷克在1961年提出了一个名为“德雷克方程”的公式，用以估算银河系中可以与我们通讯的文明数量。这个公式由以下七个项相乘组成。

N=R*× fp × ne × fl × fi × fc × L

N: 代表银河系内可能与人类通讯的文明数量

R*: 代表银河系中1年里恒星形成的数量

fp: 代表恒星拥有行星的可能性

ne: 代表可能发展出生命的行星的平均数

fl: 代表以上行星发展出生命的可能性

fi: 代表演化出高智生物的可能性

fc: 代表该高智生命能够进行通讯的可能性

L: 代表该文明能够进行通讯的年数

在最初提出方程的会议上，德雷克自己估计银河系中的文明数量在1000到1亿之间。其他科学家则提出了各种不同的估计值，从不满100到数百万不等。

另一方面，对于地外文明数量也有其它的考量。1950年，由物理学家恩里科·费米指出“费米悖论”，其内容大致如下：

宇宙中有无数的恒星，其中比太阳更古老的恒星也不罕见。这些恒星中的一些可能拥有行星，并且可能存在生命。因此，在地球文明之前诞生的文明可能已经发展到能够进行星际旅行的高度技术水平。那么，为什么我们至今还没有遇到地外文明呢？

费米悖论的概念早已有之，但直到1975年被另一位科学家重新发现之后才开始广为人知（*3）。然而，德雷克方程中估计的较高的文明数量似乎与费米悖论相矛盾。这可能是因为德雷克方程中的各项估计值存在较大的误差。

*3在费米之前，也有人提出过类似的概念，最早的例子是在1933年，被称为“火箭之父”的康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基在一篇未发表的手稿中隐晦地提及。

实际上，因为我们只知道一个文明，所以在德雷克方程中越靠右的项就越难准确估计。然而，与1961年时尚未发现任何系外行星不同，现在已经发现了数千颗行星，其中许多被认为是宜居的。因此，近年来针对德雷克方程各项估计值提出了多种改进方案。

“板块运动”是生物获得智能的契机？

本次研究关注的是德雷克方程中的一项，即“fi（演化出高智生物的可能性）”的估值问题。1961年，德雷克等人将fi的值设定为1。这意味着生命以100%的概率进化成高智生物（*4）。据说这一数值是当时参加德雷克方程发布会的一位成员、脑科学家约翰·C·利里提议的。利里关注到了海豚的高智能，认为既然地球上有海豚和人类这两个独立拥有智能的例子，fi的值就应该设定为相当高的1。

*4也有资料显示德雷克等人设定的值为fi =0.01（1%）。本文采用的是论文和新闻稿中提到的值。

在后来的年代，其他科学家对fi的估值通常在0.01到1之间。也就是说，尽管100％有些过高，但认为生命以最低1%的概率进化成高智生物的观点一直存在。

然而，自德雷克方程提出半个多世纪以来，随着地球上发现了在极端环境中也能生存的生命以及许多潜在的宜居行星，人们认为生命的存在并不那么罕见。既然如此，如果宇宙中真的充满了生命，为什么我们还没有遇到其它文明？这就是费米悖论指出的现象。

因此，Stern和Gerya认为，尽管生命的诞生并不罕见，但生命进化成高智生物的过程可能受到某些限制。他们推测这一原因可能是“板块运动”。地球表面的地壳由多个板块构成，这些板块在缓慢移动中沉入地幔，并从地幔中涌出新的物质，形成循环。这就是板块运动。

事实上，以岩石为主体的行星上现存的板块运动目前只在地球上有所发现。在同样为岩质行星的金星、火星以及木星的卫星木卫一上虽曾有火山活动，但板块运动早已停止。水星和月球上则没有发现活跃的地质活动迹象。

图2：Stern和Gerya认为地球上板块运动开始的时间恰好与可见复杂动物化石的出现时间一致，并非偶然。（Credit: Robert J. Stern & Taras V. Gerya

Stern和Gerya重点关注的是地球上板块运动开始的时间。虽然关于板块运动有多种理论，但其中有个理论认为地壳在约8.7亿年前到约6亿年前分裂成多个板块，板块运动由此开始。特别是，板块运动在约6亿年前正式开始，这一时期恰好与肉眼可见的大生物化石的出现时间一致，这点值得注意。

也就是说，尽管地球上的生命诞生于约38亿年前，但生命进化在30多亿年中进展缓慢。这表明，板块运动的开始与生命进化的时间一致可能并非偶然。板块运动可能刺激了生命的复杂进化。

事实上，板块运动能够促进生命的进化也不难理解：板块碰撞会形成山脉，风化作用将丰富的营养物质带入海洋。反之，板块分离可能形成平静的海洋。这样的循环导致环境变化，进而促使生命进化。

此外，板块运动形成了海洋和陆地。生命的诞生可能发生在富含营养且紫外线被遮挡的海洋中，但海洋环境变化少，进化作用有限。陆地环境变化大，虽然是对生命而言比较苛刻的情况，但有助于进化。

尽管我们目前只有这一个例子，但人类在陆地上发展了火、农业、金属冶炼、电力等高级文明现象，这些在海洋中不易实现。

银河系中存在的文明数量最多为2万

图3：Stern和Gerya通过将生命进化成高智生物的可能性分为两个要素，提出了新的估计值。（Credit: 彩恵莉莉）

基于上述原因，Stern和Gerya提出，将德雷克方程中的fi表示为“foc（拥有大型大陆和海洋的宜居行星的存在可能性）”和“fpt（板块运动持续时间超过5亿年的行星的存在可能性）”的乘积。

目前的行星科学知识可以大致估算出foc和fpt的值。Stern和Gerya考虑了从小到大的各种岩石行星的形成可能性、这些行星所含的水等物质的量、对板块运动来说最重要的热量等因素，估计foc在0.0002到0.01之间，fpt在0.17以下。

在这种估计下，foc和fpt的乘积fi为0.00003到0.002之间。也就是说，生命进化成高智生物的概率为0.003%到0.2%，远低于传统的1%到100%。最近估计的文明能够进行通讯的年数为400年到780万年，若将其代入L中，则银河系中的文明数量最多为2万。最悲观的估计认为银河系中只有一个文明，即人类文明是唯一文明的概率最大为0.04%。

Stern和Gerya认为，这一研究结果可以作为解决费米悖论的一种方法。当然，这些估计值误差很大，也可能更高或更低。

另外，这次研究也得出了一些较好的数值。即便没有能够进行星际通讯的文明，拥有生命、大陆、海洋和板块运动的行星数量在银河系中仍然可以用类似德雷克方程的方法估算。Stern和Gerya估计，这样的行星在银河系中有500到约100万个。如果有如此之多的行星数量，未来在系外行星的探测中，或许能找到与地球非常相似的行星。

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来自地球的信息

这则信息是1974年阿雷西波天文台启用时，从地球向球状星团M13传送的广播。所传送的讯号是采二进位编码，由一系列的零和壹组成了上面这幅图案。含有关于人类和人类知识库的一些简单资讯。从下到下，分别为1到10的十进位数字、氢和碳等原子，一些有趣的分子、DNA、人类的粗略描述、太阳系的概况、以及传讯望远镜的基本资料等。世界各地有数个寻找外星文明的计划正在进行，其中之一用你的家用电脑就能进行。

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