地球之外有生命存在嗎？人類對(duì)于這個(gè)問(wèn)題的探索從未停止，希望能知道自己在宇宙中是否孤獨(dú)，卻始終沒(méi)能找到地外生命的確鑿痕跡。不過(guò)就在一個(gè)月前，天文期刊 Astrophysical Journal 發(fā)表的一項(xiàng)新研究帶來(lái)了突破。 報(bào)道稱，天文學(xué)家在124光年外一顆名為K2-18b的行星上找到了“生命痕跡 ” ，確定度達(dá)到了99.7%！

藝術(shù)家描繪的K2-18b（圖片來(lái)源：wikipedia）

看到這個(gè)新聞，你的第一反應(yīng)可能是興奮——難道人類終于找到了地外生命？但緊接著，你或許又會(huì)好奇：天文學(xué)家是如何得出99.7%這個(gè)數(shù)字的？它的真正含義是什么？

遺憾的是，即使確定度高達(dá)99%以上，這項(xiàng)研究仍不能作為地外生命存在的決定性證據(jù)。要理解這一點(diǎn)，我們得搞清楚這個(gè)“確定度”的具體含義。

什么是標(biāo)準(zhǔn)差？

讓我們先從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量說(shuō)起。假設(shè)你有一把直尺，需要去測(cè)量一支筆的長(zhǎng)度，它的真實(shí)長(zhǎng)度是15.00cm。因?yàn)槭艿阶x數(shù)誤差、直尺精度等因素影響，你每次測(cè)量的結(jié)果都會(huì)有所不同，比如14.95cm、15.00cm、15.10cm等等，結(jié)果有時(shí)偏小，有時(shí)偏大。

如果想要得到更準(zhǔn)確的測(cè)量值（同時(shí)還有足夠的空閑時(shí)間），你可以進(jìn)行100次、1000次測(cè)量。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，測(cè)量的次數(shù)越多，測(cè)量值的平均值就會(huì)越來(lái)越接近筆的真實(shí)長(zhǎng)度。

（圖片來(lái)源：Worksheets）

你還可以將每次測(cè)量的結(jié)果作為橫軸，數(shù)據(jù)出現(xiàn)的頻數(shù)作為縱軸，繪制出一張數(shù)據(jù)分布圖。隨著測(cè)量次數(shù)增多，分布圖會(huì)逐漸呈現(xiàn)出中間密集、兩邊稀疏的圖樣，就像寺廟里倒扣的大鐘。

在理想情況下，當(dāng)測(cè)量次數(shù)趨近于無(wú)窮大，分布曲線會(huì)收斂為一個(gè)平滑的鐘形圖樣，這就是正態(tài)分布。

正態(tài)分布曲線，圖中百分?jǐn)?shù)表示數(shù)據(jù)點(diǎn)落在不同標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)的概率（圖片來(lái)源：wikipedia）

?正態(tài)分布?（又稱高斯分布）是一種在自然界和社會(huì)現(xiàn)象中極為常見的連續(xù)概率分布，核心特征是數(shù)據(jù)呈現(xiàn)為?鐘形曲線?，且具有對(duì)稱性，其峰值稱為平均值。在上文測(cè)量的例子中，平均值也就是筆的真實(shí)長(zhǎng)度。

正態(tài)分布有一個(gè)非常重要的參數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)差，用希臘字母σ（sigma，念作“西格瑪”）表示。標(biāo)準(zhǔn)差表示數(shù)據(jù)偏離平均值的程度，在圖像上可以直觀理解為“胖瘦”。你的尺精度越高、測(cè)量的長(zhǎng)度越準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)差就會(huì)越小，偏離平均值的數(shù)據(jù)量減少，正態(tài)分布就會(huì)變尖、變“瘦”；反之精度越低、測(cè)得越不準(zhǔn)，正態(tài)分布會(huì)變寬、變“胖”。

不同形狀的正態(tài)分布圖像（圖片來(lái)源：statology）

是不是新發(fā)現(xiàn)，概率說(shuō)了算

標(biāo)準(zhǔn)差σ看似只是在統(tǒng)計(jì)學(xué)中用來(lái)描述數(shù)據(jù)離散的程度，但在科學(xué)研究中，它卻是判斷一項(xiàng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)是否真實(shí)可靠的重要參數(shù)。

科學(xué)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)異常值，這些異常可能是重大發(fā)現(xiàn)的信號(hào)，也可能僅僅是隨機(jī)誤差的體現(xiàn)。為了區(qū)分這兩者，科學(xué)家引入了統(tǒng)計(jì)顯著性的概念。它通過(guò)計(jì)算觀測(cè)數(shù)據(jù)與零假設(shè)（“無(wú)真實(shí)效應(yīng)”的假設(shè)）之間的偏離概率，來(lái)評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否超出了隨機(jī)波動(dòng)的合理范圍，從而判斷該結(jié)果是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

舉個(gè)例子，你有一個(gè)骰子，懷疑它被人動(dòng)過(guò)手腳。為了驗(yàn)證這一猜想，你決定不停地扔骰子。擲一次，得到的點(diǎn)數(shù)是6點(diǎn)，這很正常；但是你緊接著擲了第二次、第三次，擲到第八次，結(jié)果見鬼了——每次骰子都落在6點(diǎn)！

對(duì)于正常的骰子，這種情況發(fā)生的概率只有
≈ 0.00006%，幾乎不可能發(fā)生，因此你做出了判斷：骰子有極大可能被人動(dòng)過(guò)了手腳。

這就是一個(gè)驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)顯著性的例子：

1.對(duì)于一個(gè)可能存在的新現(xiàn)象（骰子被動(dòng)過(guò)手腳），假設(shè)現(xiàn)象不存在（骰子一切正常）；

2.收集大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，發(fā)生了概率極低的事件（骰子連續(xù)8次6點(diǎn)），或者發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)和理論預(yù)期存在明顯偏離；

3.有充足理由推翻零假設(shè)，說(shuō)明新現(xiàn)象具有統(tǒng)計(jì)顯著性，可以被認(rèn)定為真實(shí)存在的效應(yīng)（骰子被動(dòng)了手腳）。

問(wèn)題來(lái)了：要發(fā)生概率多低的事件、數(shù)據(jù)和預(yù)期存在多大的偏離，才能確定統(tǒng)計(jì)顯著性呢？科學(xué)界采用的標(biāo)準(zhǔn)方法是使用標(biāo)準(zhǔn)差σ的倍數(shù)來(lái)衡量觀測(cè)數(shù)據(jù)與理論預(yù)期（零假設(shè)）之間的偏離程度。具體而言，不同σ值對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)顯著性水平如下：

置信度是指統(tǒng)計(jì)結(jié)果的可信程度，計(jì)算方式就是1減去第二列的概率。置信度越高，說(shuō)明新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象越可能是真實(shí)存在的，而非偶然誤差。

用扔骰子的例子來(lái)理解，數(shù)據(jù)和預(yù)期偏離3σ的概率是0.0063%，比連續(xù)5次投中6的概率還要小；偏離5σ的概率只有0.000057%，更是相當(dāng)于連續(xù)8次投中6！

在科學(xué)研究中，如果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論預(yù)期的偏差在3σ以下，那只能說(shuō)明“找到了新現(xiàn)象存在的跡象”；達(dá)到3σ，則意味著“找到了新現(xiàn)象存在的證據(jù)”；而達(dá)到5σ以上，科學(xué)家們就可以比較放心地認(rèn)為“發(fā)現(xiàn)了新現(xiàn)象”。

正態(tài)分布圖中距離平均值的距離和置信度的對(duì)應(yīng)關(guān)系（圖片來(lái)源：Dirk Mallants）

5σ：粒子物理學(xué)的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”

通過(guò)統(tǒng)計(jì)顯著性來(lái)判斷是否存在科學(xué)新發(fā)現(xiàn)，這在粒子物理學(xué)的研究中尤其常見。

粒子物理學(xué)的研究對(duì)象是比原子還要微小的粒子。在大型粒子加速器的實(shí)驗(yàn)中，每秒會(huì)發(fā)生上百萬(wàn)次粒子對(duì)撞事件。面對(duì)海量數(shù)據(jù)，粒子物理學(xué)家必須依靠統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，才能排除背景噪聲、實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺陷等因素導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)誤差，發(fā)現(xiàn)可能的新粒子或新物理現(xiàn)象。

歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，每次碰撞可以產(chǎn)生上百萬(wàn)次粒子對(duì)撞事件（圖片來(lái)源：歐洲核子中心）

粒子物理實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分布圖上常常會(huì)出現(xiàn)一些凸起的小鼓包，這一般是由隨機(jī)的統(tǒng)計(jì)漲落引起的。隨著數(shù)據(jù)量變大，統(tǒng)計(jì)漲落的影響越來(lái)越小，這些小鼓包也就會(huì)隨之變得不再明顯。

然而，如果分布圖里觀測(cè)到一個(gè)明顯凸起的小鼓包，數(shù)據(jù)量變大時(shí)仍穩(wěn)定出現(xiàn)，并且這個(gè)結(jié)構(gòu)在現(xiàn)有理論下無(wú)法得到解釋，那就可能預(yù)示著新物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。

如何判斷這種小鼓包是否確實(shí)代表新物理現(xiàn)象呢？這就需要借助統(tǒng)計(jì)顯著性來(lái)分析。粒子物理學(xué)領(lǐng)域中有一條“黃金標(biāo)準(zhǔn)”：只有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與背景假設(shè)（即“無(wú)新物理現(xiàn)象”的假設(shè)）之間的偏差達(dá)到5σ，才能確認(rèn)發(fā)現(xiàn)了新物理現(xiàn)象。

以歐洲核子中心（CERN）發(fā)現(xiàn)被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子為例，研究人員很早就在125GeV能區(qū)觀測(cè)到了一個(gè)異常信號(hào)，但一直等到數(shù)據(jù)量積累到統(tǒng)計(jì)顯著性達(dá)到5σ的黃金標(biāo)準(zhǔn)，才正式宣布希格斯玻色子的重大發(fā)現(xiàn)。

雙光子衰變過(guò)程在能量為125GeV，附近發(fā)現(xiàn)的小鼓包就是希格斯粒子（圖片來(lái)源：歐洲核子中心）

為什么是5σ？

5σ對(duì)應(yīng)的置信度約為99.99994%，觀測(cè)結(jié)果是由隨機(jī)統(tǒng)計(jì)漲落導(dǎo)致的概率僅有0.00006%，這樣的新發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為確鑿無(wú)疑。事實(shí)上，在大多數(shù)使用統(tǒng)計(jì)分析的研究領(lǐng)域，5σ的統(tǒng)計(jì)顯著性標(biāo)準(zhǔn)太過(guò)嚴(yán)苛了。例如在生命科學(xué)領(lǐng)域，通常3σ的顯著性（對(duì)應(yīng)99.73%的置信度）就足以支持重要發(fā)現(xiàn)。然而，粒子物理學(xué)對(duì)精確性的追求尤其苛刻，畢竟物質(zhì)基本性質(zhì)的研究是人類認(rèn)識(shí)宇宙的基石，任何微小的誤差都將帶來(lái)非常重大的影響。

嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)還來(lái)源于慘痛的教訓(xùn)。粒子物理史上曾多次出現(xiàn)“假信號(hào)”的案例，例如2015年歐洲核子中心曾報(bào)告觀測(cè)到質(zhì)量約為750GeV的“新粒子”，顯著性大于3σ，在當(dāng)時(shí)引起了巨大轟動(dòng)。但是后續(xù)隨著實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累，“新粒子”的信號(hào)逐漸消失不見，最終被證實(shí)為統(tǒng)計(jì)漲落引起的“假信號(hào)”。

750GeV左右凸起的鼓包最終被證實(shí)源于統(tǒng)計(jì)漲落，而非新粒子的信號(hào)（圖片來(lái)源：歐洲核子中心）

更何況，即使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的顯著性達(dá)到5σ的黃金標(biāo)準(zhǔn)，仍有可能被后續(xù)研究推翻。2023年，美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室宣布了一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)：μ子反常磁矩的測(cè)量值偏離粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的理論預(yù)言，置信度達(dá)到了5σ。這一結(jié)果引起了學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注，很多人相信這是存在“新物理”的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

時(shí)間到了2025年6月初，在積累更多數(shù)據(jù)之后，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室把測(cè)量精度提高了4倍。與此同時(shí)，理論物理學(xué)家們重新審視了計(jì)算過(guò)程，對(duì)理論預(yù)期值進(jìn)行了重要修正。令人意外的是，原本5σ的顯著偏差在理論值修正后竟然消失了，實(shí)驗(yàn)測(cè)量與理論預(yù)言重新達(dá)成一致，讓粒子物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)“新物理”的夢(mèng)想再次破滅。

μ子反常磁矩的測(cè)量結(jié)果，理論值和實(shí)驗(yàn)值已經(jīng)趨于一致（圖片來(lái)源：費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室）

著名物理學(xué)家卡爾·薩根說(shuō)過(guò)，“超凡的主張須有超凡的證據(jù)”。5σ標(biāo)準(zhǔn)不僅是統(tǒng)計(jì)學(xué)上的嚴(yán)格篩選，更是粒子物理學(xué)對(duì)科學(xué)真理極端審慎態(tài)度的體現(xiàn)。它平衡了探索未知的雄心與避免誤判的理性，確保每一次“發(fā)現(xiàn)”都能經(jīng)受住時(shí)間和實(shí)驗(yàn)的反復(fù)檢驗(yàn)。

為什么還不能斷言發(fā)現(xiàn)了地外生命？

介紹完通過(guò)統(tǒng)計(jì)顯著性來(lái)判斷物理新發(fā)現(xiàn)的方法，讓我們回到文章開頭關(guān)于地外生命跡象的研究。

研究人員借助詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡的中紅外相機(jī)（MIRI）觀測(cè)了K2-18b這顆行星，在大氣光譜中找到了二甲硫醚（DMS）或二甲基化二硫（DMDS）的信號(hào)。在地球上，這類分子幾乎完全由生命（主要是海洋浮游生物）制造，因此在地外生命搜尋中被視為潛在的生命特征分子。

然而，此次發(fā)現(xiàn)的DMS/DMDS信號(hào)的統(tǒng)計(jì)顯著性在2.9σ到3.4σ之間，這確實(shí)可以稱得上“找到了證據(jù)”，但距離5σ的標(biāo)準(zhǔn)還有很大差距。一些新聞報(bào)道中提到的數(shù)據(jù)“確定度高達(dá)99.7%”實(shí)際上指的是顯著性為3σ時(shí)對(duì)應(yīng)的置信度。

MIRI拍攝的K2-18b的大氣光譜（圖片來(lái)源：參考資料[1]）

即使隨著實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累，DMS/DMDS存在的統(tǒng)計(jì)顯著性能提升到5σ的水平，研究人員也仍然不能確信這類分子在星球上只能由生命體產(chǎn)生。只有通過(guò)后續(xù)的觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)室模擬，徹底排除未知的化學(xué)或地質(zhì)過(guò)程產(chǎn)生這些分子的可能性，才能最終將它歸因于生命活動(dòng)。

事實(shí)上，2024年天文學(xué)家就曾在一顆名為67P的彗星上發(fā)現(xiàn)了DMS的存在。這顆彗星由塵土和冰組成，表面沒(méi)有空氣，無(wú)法支撐生命活動(dòng)。這在一定意義上已經(jīng)證明地外行星的DMS并不能作為生命存在的直接證據(jù)。

彗星67P上發(fā)現(xiàn)了DMS的痕跡（圖片來(lái)源：ESA）

因此，盡管此次研究對(duì)于認(rèn)識(shí)K2-18b是一個(gè)重大突破，但斷言這顆124光年外的星球存在生命跡象還為時(shí)尚早。對(duì)于地外生命的探索仍需我們帶著耐心、嚴(yán)謹(jǐn)和熱情繼續(xù)前行——當(dāng)然，還有一些統(tǒng)計(jì)學(xué)的知識(shí)。

K2-18b和地球的大小對(duì)比示意圖（圖片來(lái)源：Walk In The Clouds）

參考資料：

[1] Madhusudhan, Nikku, et al. "New Constraints on DMS and DMDS in the Atmosphere of K2-18 b from JWST MIRI." The Astrophysical Journal Letters 983.2 (2025): L40.

[2] https://phys.org/news/2025-04-indicators-alien-life-astrophysicist.html

來(lái)源：科學(xué)大院

原標(biāo)題：發(fā)現(xiàn)外星生命痕跡，確定度99.7%！——等等，這是怎么算出來(lái)的？

編輯：瀟瀟雨歇

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