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霍金的派对：从科学天地到数码时代 [:1707629769]
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霍金的派对：从科学天地到数码时代 寻找“地球”(1)
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银河系中究竟有多少颗行星？这在以前是一个理论问题，如今却更多地成为了观测项目。
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1992年，科学家们在一颗编号为PSR1257＋12的脉冲星（pulsar）周围发现了两颗行星，由此开启了观测太阳系以外行星（extrasolar planet）的时代。截至2012年1月，已被确认的太阳系以外行星达到了700多颗，有待确认的“候选者”更是多达1000多颗。相应地，人们对银河系中行星数量的估计也一再飙升，仅在过去一年里，就从500亿增加到了1600亿。
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研究太阳系以外的行星有什么意义呢？首要的意义是帮助我们更好地理解行星系统的特点及形成。其次则是探索外星生物——尤其是智慧生物——存在的可能性。后者导致的一个搜索目标，就是寻找类似于地球的行星，或曰寻找“地球”。
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寻找“地球”霍金的派对——从科学天地到数码时代0[]0什么是类似于地球的行星呢？首先，它所围绕的必须是所谓的主序星（main-sequence star），即像太阳这样尚处于“壮年”期的恒星，而且“块头”与太阳相近（否则会因各种原因无法长期维持生物演化所需的稳定而适宜的环境）。其次，它必须是“类地行星”（terrestrial planet），即像地球这样具有固体表面的行星。此外，它还必须能长期维持液态水和大气，这要求它与恒星的距离适中，即位于所谓的“可栖息带”（habitable zone）中，而且质量不能比地球小太多（否则不会有足够的引力长期维持液态水和大气）。
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为了寻找“地球”，科学家们进行了长期努力。1995年，他们在一颗编号为“飞马座51”（51 Pegasi）的类似于太阳的主序星周围首次发现了行星，可惜那是一颗像木星那样的气态巨行星（gas giant）。这是观测手段造成的自然筛选（因为气态巨行星比较容易被发现）。直到十年后的2005年，科学家们才在一颗编号为“格利泽876”（Gliese 876）的红矮星周围发现了一颗质量约为地球7.5倍的类地行星。这种比地球大的类地行星被称为“超级地球”（super-Earth）。2009年之后，随着开普勒太空望远镜（Kepler space telescope）的启用，“超级地球”的大小逐渐向“地球”靠拢。2011年底，科学家们终于在一颗编号为开普勒20（Kepler-20）的类似于太阳的主序星周围发现了两颗质量与地球相近的行星。这一消息不仅令科学家们感到振奋，也引起了媒体的关注。
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但美中不足的是，这两个“地球”离它们的恒星都太近，从而并不位于可栖息带中。这也是观测手段造成的自然筛选（因为开普勒太空望远镜需要观测三个公转周期才能提供一个行星候选者，因此先发现的只能是公转周期较短，从而离恒星较近的行星）。科学家们期待在不久的将来会发现位于可栖息带中的“地球”。
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但即便是那样的“地球”，它们与存在智慧生物之间也仍可能有着很大距离。有些科学家认为，智慧生物的产生有可能需要极为苛刻的条件，包括一些粗看起来无关紧要的条件——比如在适当的距离上存在木星那样的气态巨行星，以及拥有月球那样相对质量很大的卫星等。因为前者可以在很大的范围内扫清小天体，使“地球”上的生物不至于频繁遭遇毁灭性的陨星撞击；后者则可以起到维持“地球”自转轴的稳定等作用。根据那些科学家的估计，考虑了所有条件之后，有智慧生物存在的“地球”是极为稀有的，即便在已大大“扩容”了的银河系数以千亿计的行星之中，也仍有可能是独一无二的，这被称为“稀有地球假设”（rare Earth hypothesis）。
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当然，这是一个有争议的假设，它的一个最有可能的缺陷就是过于依赖于人类自身这一智慧生物的单一样本。其实，寻找“地球”的过程本身就多次显示出了单一样本的不可靠性。比如人们曾经认为类地行星离恒星较近，气态巨行星离恒星较远。但实际上，太阳系以外的一部分气态巨行星却出现在离恒星极近的地方；2011年底所发现的那两个“地球”更是如三明治一样与气态巨行星交错分布着。这一切都无情地打破了人们曾经由太阳系这个单一样本所推断出的行星分布“规律”。
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不过，争议归争议，寻找“地球”的努力仍将继续。即便存在智慧生物的“地球”真的极为稀有，寻找在某些方面类似于地球的行星依然是一项重要的探索。也许有一天，人类会向那样的“地球”移民，甚至如阿西莫夫（Isaac Asimov）小说所描绘的那样组成一个“银河帝国”（galactic empire）呢！
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(1) 本文发表于《科学画报》2012年第3期（上海科学技术出版社出版）。
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霍金的派对：从科学天地到数码时代 [:1707629770]
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霍金的派对：从科学天地到数码时代 外星球的灯光(1)
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除了我们脚下这颗蓝色星球外，还有多少星球上存在智慧生物？这是一个很多人感兴趣、却尚无答案的问题。有人倾向于所谓的“稀有地球假设”（rare Earth hypothesis），即认为地球有可能是银河系甚至宇宙中唯一存在智慧生物的星球；也有人相信所谓的“平庸原理”（mediocrity principle），即认为智慧生物的出现乃是不足为奇的现象。
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这种见解上的分歧近期内还看不到解决的可能，因为我们不仅从未发现过外星智慧生物栖居的星球，甚至连什么手段最适宜搜索他们都还有争议。在笔者还是《科学画报》的小读者的时候，一种比较流行的看法是认为智慧生物必定会像人类一样发展出无线电通信技术，并且必定会向外层空间泄漏电波，因此最适宜的搜索手段是探测他们的电波。可惜，人类自己的技术发展很快就让这一手段失了宠——因为比无线电通信更优越的光纤通信基本不泄漏电波。
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那么，还有什么别的手段适宜搜索外星智慧生物呢？最近，两位美国科学家——哈佛大学（Harvard University）的洛布（Abraham Loeb）和普林斯顿大学（Princeton University）的特纳（Edwin Turner）提出了一种设想。他们认为，外星智慧生物必定会像人类一样使用灯光，从而我们可以通过探测外星球的灯光来搜索他们。
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听起来有点意思，但外星球的灯光——如果有的话——究竟能在多远之外被探测到呢？洛布和特纳做了简单估算，结果表明像人类大城市那样的灯光可在50个天文单位（约75亿千米）处被观测到。这相当于太阳系外围的柯伊伯带——一个距太阳30～55天文单位的小天体带——与我们的距离。受此启发，洛布和特纳提出了一个更大胆的设想，即个别柯伊伯带天体或许真的就是外星智慧生物的栖居地，它曾经很靠近太阳或其他恒星，从而演化出了智慧生物，后来因某种原因脱离了原先的轨道，“漂移”到柯伊伯带中。洛布和特纳还进一步提出，柯伊伯带天体上的灯光与天体本身的光亮不同，前者与离太阳的远近无关，后者却与远近有关（因后者是阳光反射所致）。因此，通过跟踪观测柯伊伯带天体离太阳的远近与它的亮度间的关系，我们就有可能发现栖居在那里的智慧生物。
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由于外星智慧生物一向是大众喜爱的话题，洛布和特纳的设想引起了不少媒体的关注。但其实早在1979年，著名美国科普作家阿西莫夫（Isaac Asimov）就在《地外文明》（Extraterrestrial Civilizations）一书中提及了类似的设想。当然，阿西莫夫没有提议以当时尚未发现的柯伊伯带为搜索目标。不过，那目标与其说是创意，不如说是胡猜，因为在它背后，是一系列极不可能的假设：比如假设在柯伊伯带天体上能演化出智慧生命（那样的小天体哪怕曾经温度合适，也很难长期维持大气和液态水）；比如假设在如此寒冷的环境下，智慧生物居然仍生活在天体的表面而没有躲到更利于保暖的内部；比如假设在资源如此匮乏的情况下，智慧生物居然会让大量灯光耗散在虚空里……
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不过，以柯伊伯带为搜索目标虽属胡猜，用外星球灯光搜索智慧生命倒未必毫无可行性。如果那外星球比柯伊伯带天体大得多，灯光总量也更多，探测的可行性就会更大。比方说，如果外星球的灯光与目前整个地球的灯光相当，我们在1000个天文单位（比太阳系最遥远的行星海王星离我们还远30多倍）处就能探测到。如果探测技术进一步发展，或外星球的灯光比这更强，则探测距离还可增加，直至延伸到其他恒星的周围。
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另一方面，这探测手段也带给我们一个反面启示，那就是人类的灯光污染（light pollution）已达到了惊人的规模——用人类自己的技术在1000个天文单位处就能探测到。如果真有外星智慧生物的话，他们或许也在搜索我们，而且谁也摸不准他们对我们怀有善意还是恶意。最安全的做法也许是在搜索他们的同时隐藏自己。为此，我们显然需要在控制灯光污染上多下功夫。
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当然，外星智慧生物没准也会这么想，从而也控制自己的灯光。那样的话，这一搜索手段很可能也会成为徒劳，而我们的好奇心则将持久地悬着。