人類已經嚴肅地花了40年時間，

來搜尋地外文明。

李楠· 中國科學院國家天文臺研究員

格致校園第49期 | 2024年 北京

大家好，我是來自中國科學院國家天文臺的李楠，今天的話題是《你好，有人嗎》。沒想到此時此刻，我遇到的情況和我要講的內容有點像。我站在這里，燈光打在臉上，我根本看不到下面有沒有人。所以我要問一下，你好，有人嗎？

現在，我們設想一下，如果我代表地球，代表人類，你們代表外星人，我要用什么方式找到你們，又該如何估算你們的數量呢？

▲ 左：bookbaker??

右：pinterest???

我在像你們這么大的時候，最關心兩個問題，一個是恐龍是怎么滅絕的，另一個是到底有沒有外星人。

我相信，你們可能也對這兩個問題比較感興趣。那么大家認為有沒有外星人呢？這個問題古今中外一直都有人在探討。比如說，遠古的壁畫上，有一些疑似飛碟的圖案；在金字塔相關研究中，有些人認為金字塔是外星人造的；還有復活節島上的巨石雕像，也被認為可能是外星人留下來的遺跡。

這些例子都來自國外，那說到我們中國呢，其實古代小說里也描寫過外星人。就比如說，《搜神記》里有這么一段記載：有個小孩兒跟大人一起玩，別人看他很奇怪，就問他：“你從哪兒來呀？”他回答說：“我不是凡人，我來自熒惑。”

熒惑是什么呢？在當時，應該還沒有“火星人”這種說法，古人很可能認為，這個小孩兒是熒惑星下凡。因為按照他們的想法，熒惑并非指星體本身，而是天上的星宿。在他們看來，是星宿下凡了。但從我們現在的角度看，這可能講的是一個火星人來地球訪問的故事。

不僅大眾對外星人感興趣，對于專業的天文學家來說，我們也在問這樣一個問題，而且這個問題已經上升為一個非常嚴肅的科學問題了。比如說，這是哈佛和史密松天體物理中心的一些科學家在總結目前非常重要的科學問題，就有一條就是“是否有太陽系外的文明存在？”

不僅如此，美國還成立了一個地外文明搜尋實驗室，到今年這個實驗室已經成立40周年了。這也是我選這個題目給大家分享的原因——人類至少已經嚴肅地花了40年時間來搜尋地外文明。

尋找外星人的方法

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那么大家肯定會問，都搜尋40年了，到底有沒有證據能證明外星人的存在呢？

▲左：1967年 約瑟琳·貝爾(UK National Science & Media）

右：“小綠人”（pinterest）

我們先來看看搜尋的歷史。其中，最有趣且最有故事性的信號是這樣的：1967年，約瑟琳·貝爾博士用射電望遠鏡，發現了一種非常規則的、呈周期性變化的信號。她認為，如果宇宙中不存在其他人類文明，那么接收到的信號應該是隨機的。但如果某個信號總是以非常規則的周期出現，那就很有可能是來自外星人的信號。于是，她給這個信號取名叫“小綠人”。

▲左：1974年諾貝爾獎授予約瑟琳·貝爾的導師安東尼·休伊什（nature）

右：ESA/ATG medialab; ESA/XMM-Newton; ASTRON/LOFAR?????

但后來，經她老師研究發現，這并不是外星人的信號，而是來自一種被稱作脈沖星的天體。這種天體在宇宙中像燈塔一樣不停旋轉，所以地球能不斷接收到其信號。

這一發現最終榮獲諾貝爾物理學獎，但卻并沒有授予約瑟琳·貝爾博士，而是給了她的導師，可能因為導師提供了望遠鏡及物理解釋。不過，約瑟琳博士得到了比諾貝爾獎更豐厚的基礎物理學突破獎，獎金約為諾貝爾獎的三倍，也算得到了更多回報。這是地外文明搜尋歷程中一個非常有意思的故事。

到了最近，大家又開始關注某種信號，這種信號被稱作快速射電暴。為什么射電信號大家覺得很重要呢？因為我們平時打電話用手機、看電視以及其他所有通訊，都是依靠無線電波，也就是天文學中的射電波來傳遞信息的。那如果在宇宙中的某一個方向上射電波突然爆發，那就很有可能是由智能文明發出的信號，而快速射電暴就是這樣一種信號。

于是，我們在地球上設置接收器，接收來自宇宙的射電信號，看看什么時候會出現這種爆發情況。發現這些信號之后，大家又開始研究。尤其是我們中國的天眼，也針對快速射電暴做了很多探索。研究后發現，好像它們也不是地外文明的信號。因為這些信號更多與某一類天體有關，目前來看，快速射電暴更可能是中子星或者黑洞爆發產生的。

前面提到的這兩種搜尋方式，我稱之為“盲搜”。為什么叫“盲搜”呢？就是我們不指向特定的某一個方向，就像閉著眼睛在宇宙中“聽”，如果能“聽”到某類信號，我們就認為可能有文明存在；如果“聽”不到信號，那就說明可能沒有。

▲左：NASA/Tim Pyle?

右：The Exo-planets Zoo, Martin Vargic???

那么，我們是不是可以進行有針對性地搜索呢？比如說，我們知道人類是生活在行星上面的，那么在宇宙中我們已經發現了眾多行星，我們是不是可以針對這些行星，更加專業、細致地去探測它們，看上面有沒有地外文明的信號呢？

▲左：NASA/JPL-Caltech/Lizbeth B. De La Torre????

右：arxiv.org

那我們具體看什么呢？這里有一個比較有趣的點。如果一個星球上沒有人類，或者說沒有發展出工業文明，那么通常情況下就不會產生大氣污染。但是，一旦出現了工業化，就會讓該星球大氣層所呈現出的信號大不相同。所以，我們可以通過觀測行星大氣層的特征，來判斷該行星上是否有工業文明。這是有針對性探索地外文明的其中一個方式。

▲左：NASA/JPL-Caltech/Lizbeth B. De La Torre

右：interestingengineering?

還有另外兩個比較有趣的方面。比如說，我們假設正在看一個地外行星，并且知道如果這個行星有工業文明。那么在黑夜時段，我們對它進行觀測時，會發現一個明顯不同的信號——有文明的行星在黑夜會開燈，而沒有文明的行星在黑夜不會開燈。那這種亮度上的異常，也是我們尋找地外文明的一種方式。

另外一種則是更具科幻色彩的高級假設。當一個文明發展到足夠發達的階段，達到所謂的二級文明，就是恒星級文明時，它將能夠充分利用恒星系內的所有能量。對于恒星級文明來說，最有效的利用方式之一就是建造戴森球，也就是用類似太陽能電池板的裝置把恒星包裹起來。從觀測角度來看，這會出現兩種情況：

第一種情況是恒星被完全包裹。以前我們能看到的一顆恒星，在某一時刻后突然不見了，而且沒有出現超新星爆發等任何天文現象，只是毫無預兆地消失，那么我們就可以推測可能是外星文明在做戴森球。

第二種情況是恒星沒有被完全包裹，而是被包成環狀，并且這個環狀結構還在不斷轉動，這會導致恒星出現光變現象。我們可以通過觀測這種光變，來判斷是否存在戴森球，進而尋找地外文明。

算出外星文明的數量

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但是很不幸，截至目前觀測到的所有信號，經過反復分析，并沒有確鑿的證據證明地外文明的存在。那既然找了這么久都沒有發現，那到底有沒有地外文明呢？如果有，又有多少個呢？我們是不是能夠估算一下銀河系中有多少這樣的文明，然后再針對性地去找一找呢？

▲Dr. Frank Drake（nytimes）

如果你這樣想，說明英雄所見略同。1961年，德雷克博士也提出了類似的想法。他認為，在進行搜尋之前，我們可以先估算一下銀河系里到底有多少能夠與我們交流的地外文明存在。黑板上所寫的，就是著名的德雷克公式。可以說從1961年開始，地外文明這個概念，從科幻小說逐漸走入現實生活，成為了一個科學問題。

這張圖展示的就是德雷克公式，它的作用是告訴我們如何估算銀河系中存在的地外文明數量。可以看到，公式中有很多參數，接下來我會一點點給大家介紹。在這個過程中，大家也可以想一想，如果想估算地外文明的數量，應該考慮哪些因素。

比如說，我們第一個能想到的是行星都得繞著恒星轉。那么，既然我們認為地外文明都生活在行星上，如果想估算銀河系中有多少地外文明，我們是不是可以先估算一下銀河系中有多少個恒星呢？

所以，我們先從估算恒星數量入手。在估算恒星時，我們采用的方式是，先確定銀河系每年產生恒星的數量，再乘以恒星存在的時間長度，以此得出銀河系中恒星的總數。這其中，第一個參數就是銀河系中每年產生恒星的數目，這是目前這個公式里測量最為精確的一項。

比如說，美國航天局（NASA）以及歐洲空間局（ESA）利用最新的設備進行估算，結果表明銀河系中每年大約產生1.5-3個恒星。為了便于整個公式的估算，我們可以粗略地將參數范圍設定為每年產生1-10個恒星。這就是德雷克公式中的第一個參數。

那么，第二個參數是什么呢？它指的是在這些恒星擁有行星的可能性有多大。這同樣是有觀測證據支撐的。在地球上，我們運用光變、光譜以及成像等觀測手段，對所能觀測到的所有恒星周圍進行探測，發現好像絕大部分恒星都有行星環繞。基于此，我們初步認為這個概率可能是1，就是每有1顆恒星，它周圍就可能存在1顆行星。

但是，科學需要嚴謹的態度。因為部分恒星太暗或距離太遠，我們無法觀測到它們，自然也就不確定它周圍行星的情況。所以，在這種情況下，我們可以相對保守地估計，1顆恒星擁有行星的可能性約是1/10。

到目前為止，前兩個參數的估算具有較高的可信度。而再往后的參數，可能就包含一些猜測的成分了。比如說，即便有了這些行星，也并不是所有行星都能孕育生命，對吧？這就涉及到“宜居帶”這個概念。

什么是宜居帶呢？首先，行星不能離恒星太近，太近就太熱了，一切都可能被燒毀；但也不能太遠，太遠就太冷了，所有物質都會被凍住。所以，人們提出了宜居帶的概念，就是在恒星周圍存在這樣一個區域，只有當行星處于這個區域里，才是非常適宜生命成長的行星。

當然，還有一種非典型的宜居帶，比如在土星和木星周圍的衛星，雖然它們離恒星很遠，但能接收到土星和木星釋放的能量，從而也可以產生水，并且溫度適宜。此類非典型宜居帶在太陽系里也是存在的。

目前在太陽系中，我們觀測到的處于宜居帶的天體大約有10個。基于此，我們樂觀估計，其他恒星系統也可能有這么多，即大約10個。但太陽系或許比較特殊，因為如果恒星質量太小，它的宜居帶就會特別窄，在這么窄的區域里，很有可能不存在行星，也就是我們所說的沒有宜居帶行星。所以，對于宜居帶行星數量的估計，保守來說是1/10，而樂觀估計則像太陽系這樣，有10個。

有了宜居帶的概念后，接下來的問題就是：在這些宜居帶里，究竟有多少行星能夠孕育出生命呢？目前，這方面的數據觀測還不夠充分。就拿太陽系來說，我們觀測到大約有10個處于宜居帶的區域，然而截至目前，只在地球上發現了生命。雖說其他地方也有可能存在生命，但由于觀測手段的限制，我們還沒有得到確切結果。

基于這種情況，我們樂觀估計，10個宜居帶天體里可能有1個能產生生命，也就是概率為1/10。但還有另一種可能性，我們目前所觀測到的或許只是一小部分情況。也許太陽系中還有更多宜居帶天體，但即便如此，它們依然產生不了生命。所以，從保守角度估計，宜居帶里的行星或天體產生生命的概率就變為1/100。所以，這個概率范圍大致在1/100到1/10之間。

我們繼續往下思考：生命進化為智慧生命的可能性有多大呢？這次，我們只能以人類本身的情況為參照，因為我們所觀測到的地球是目前唯一的樣本。

就目前地球的情況而言，生命確實進化出了智慧生命，所以我們可能會非常樂觀地認為這個概率是100%。但是，有些科學家并不認同這一觀點。他們指出，恐龍在地球上統治了1億多年，但始終沒有進化為智慧生命。而人類從類人猿，確切地說是從直立人開始，僅用100萬年就進化出了 智慧生命。所以，不能簡單地將生命進化為智慧生命的概率認定為100%。

因此，有些科學家認為，在地球的整個歷史長河中，智慧生命的歷史只有100萬年。那么我們保守估計，生命進化為智慧生命的可能性約為1/5000。這樣，對于生命進化為智慧生命概率的估算，我們就得到了一個介于1/5000到1之間的范圍。

接下來探討的是，智慧生命真正發展成為通信文明的可能性有多大。我們再次以人類自身為例，就人類從智慧生命發展到可以發射信號這一過程而言，我是個樂觀派，我認為這個概率是100%。我認為，只要存在智慧文明，就一定會發展出像電磁波交流這樣的通信方式。為什么這么說呢？因為人都懶，都想能坐在家里就能點外賣，不需要出門就能達成各種需求，所以一定會催生無線電通信的出現。

但是，也有科學家持不同觀點。他們認為這并不一定。想一想，地球上曾經存在過的文明可能有100多個 ，像古埃及文明、古巴比倫文明以及阿茲特克文明等等。但實際上，真正發展出可用于交流的電磁波文明，可能真的只有在近代科技革命之后才實現。以這種方式來估算 ，從智慧文明發展成為星系通訊文明的可能性只有1/100。所以取值范圍在1/100到1之間。

對文明的思考

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到現在，前面幾個相關可能性都估算完了，最后我們來看看文明的長度。

文明的長度受很多很多因素影響。我們無法預測，只能進行推測。比如說，文明的長度取決于什么呢？其一是自然災害，像海嘯、干旱、小行星撞地球等情況，都可能大幅縮短文明的存續時間。其二是人類自己導致的毀滅，在天災人禍中，人禍方面，比如不小心泄露病毒，可能致使人類滅絕；還有大國間爆發核戰爭，互相扔核武器，最后也會導致人類滅絕。就像愛因斯坦所說，他不知道第三次世界大戰會用什么武器，但他知道第四次世界大戰人們將用木棒和石頭，因為那時人類已退回原始社會。

基于這些情況，我們沒法確切估算人類文明到底能持續多久，只能猜測。從悲觀角度看，如果人類接下來真的因核戰爭走向滅絕，即便有少數人茍延殘喘，文明可能500年左右就終結了。但是，樂觀來看，文明或許可以延續100萬年。這是因為，如果一個文明一直致力于發展科技并保持和平，等它的技術足夠發達，就可以克服上述所有困難。比如，病毒來了，我們可以研發出最好的藥物治療；小行星來了，我們可以給它炸掉；海嘯來了，我們可以搬走。所以，當文明發展到足夠高度時，實現100萬年的存續并非不可能。

在完成對所有參數的估計后，我們來簡單做個總結。左邊是悲觀估計，右邊是樂觀估計，我們都想知道，銀河系中到底有多少個可交流的地外文明呢？得到的結果，悲觀估計是千萬分之一，樂觀估計則可達1000萬個。

同學們可能會說：“老師，你這跟沒回答一樣啊，這數字跨度也太大了。”其實我想和大家說，要準確估算這個數字，需要非常好的模型，還得有非常好的觀測數據作為支撐。

我剛才給出了更為寬泛的范圍，而最新的研究成果來自于諾丁漢大學的同事們。他們針對銀河系中可交互文明的數量概率做了一項研究，得出的結果是36個。

當然，這個數據的不確定性非常大。這里邊包含了一些非常主觀的假設，這些假設進一步增大了結果的不確定性。但不管怎么樣，這項研究給我們提供了一個預測，而這樣的預測是我們非常喜歡看到的。相信在未來，隨著觀測手段的進步，我們能夠做出更好的預測。

▲ Nature & ui.adsabs.harvard.edu & seti.org?

自從有了德雷克公式后，地外文明研究領域便開始蓬勃發展起來。科研論文的數量大幅增長，各種科研數據也日益豐富。隨著研究的不斷深入，這個領域的研究范圍變得更廣泛、更細致、更深入，并且更遙遠。這里說的“更遙遠”，指的是研究范圍不再局限于銀河系，而是拓展到了宇宙中更遠的地方。

德雷克博士于2022年去世。為了紀念他對天文學領域所做出的貢獻，《自然》雜志專門刊發了一篇文章紀念他。相信在未來，地外文明的研究還會持續深入地開展下去。

好，最后我們來做一些簡單的總結，并談談從中獲得的啟發。我們在努力尋找地外文明的同時，也許其他文明也在試圖找到我們。那么，如果我們希望自己被發現，根據德雷克公式，我們能夠掌控的因素只有兩個因素：一是智慧文明發展為可交流文明的可能性，二是延長我們自身文明的存續時長。

根據這兩點啟發，如果未來我們想把行星級文明提升為恒星級文明乃至星系級文明，就一定大力發展科技，并且秉持和平共處的理念。

最后一個啟發是，雖然德雷克公式給出的結果范圍寬泛，但它背后的邏輯是對的，我們可以用這種方法去解決同類問題。

這里給大家留一個思考問題，大家回去可以想一想。在整個學校里，和你各方面相似的同學有多少個呢？比如身高差不多、跑步速度差不多、跳繩數目也差不多的同學大概有多少。大家可以試著估算一下。

今天的內容就講到這里。謝謝大家！

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