地球之外有生命存在嗎？人類對于這個問題的探索從未停止，希望能知道自己在宇宙中是否孤獨，卻始終沒能找到地外生命的確鑿痕跡。不過就在一個月前，天文期刊 Astrophysical Journal 發表的一項新研究帶來了突破。 報道稱，天文學家在124光年外一顆名為K2-18b的行星上找到了“生命痕跡 ” ，確定度達到了99.7%！

藝術家描繪的K2-18b（圖片來源：wikipedia）

看到這個新聞，你的第一反應可能是興奮——難道人類終于找到了地外生命？但緊接著，你或許又會好奇：天文學家是如何得出99.7%這個數字的？它的真正含義是什么？

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

什么是標準差？

讓我們先從實驗數據的測量說起。假設你有一把直尺，需要去測量一支筆的長度，它的真實長度是15.00cm。因為受到讀數誤差、直尺精度等因素影響，你每次測量的結果都會有所不同，比如14.95cm、15.00cm、15.10cm等等，結果有時偏小，有時偏大。

如果想要得到更準確的測量值（同時還有足夠的空閑時間），你可以進行100次、1000次測量。根據統計學規律，測量的次數越多，測量值的平均值就會越來越接近筆的真實長度。

（圖片來源：Worksheets）

你還可以將每次測量的結果作為橫軸，數據出現的頻數作為縱軸，繪制出一張數據分布圖。隨著測量次數增多，分布圖會逐漸呈現出中間密集、兩邊稀疏的圖樣，就像寺廟里倒扣的大鐘。

在理想情況下，當測量次數趨近于無窮大，分布曲線會收斂為一個平滑的鐘形圖樣，這就是正態分布。

正態分布曲線，圖中百分數表示數據點落在不同標準差范圍內的概率（圖片來源：wikipedia）

?正態分布?（又稱高斯分布）是一種在自然界和社會現象中極為常見的連續概率分布，核心特征是數據呈現為?鐘形曲線?，且具有對稱性，其峰值稱為平均值。在上文測量的例子中，平均值也就是筆的真實長度。

正態分布有一個非常重要的參數是標準差，用希臘字母σ（sigma，念作“西格瑪”）表示。標準差表示數據偏離平均值的程度，在圖像上可以直觀理解為“胖瘦”。你的尺精度越高、測量的長度越準，標準差就會越小，偏離平均值的數據量減少，正態分布就會變尖、變“瘦”；反之精度越低、測得越不準，正態分布會變寬、變“胖”。

不同形狀的正態分布圖像（圖片來源：statology）

是不是新發現，概率說了算

標準差σ看似只是在統計學中用來描述數據離散的程度，但在科學研究中，它卻是判斷一項科學發現是否真實可靠的重要參數。

科學實驗的數據有時會出現異常值，這些異常可能是重大發現的信號，也可能僅僅是隨機誤差的體現。為了區分這兩者，科學家引入了統計顯著性的概念。它通過計算觀測數據與零假設（“無真實效應”的假設）之間的偏離概率，來評估實驗結果是否超出了隨機波動的合理范圍，從而判斷該結果是否具有統計學意義。

舉個例子，你有一個骰子，懷疑它被人動過手腳。為了驗證這一猜想，你決定不停地扔骰子。擲一次，得到的點數是6點，這很正常；但是你緊接著擲了第二次、第三次，擲到第八次，結果見鬼了——每次骰子都落在6點！

對于正常的骰子，這種情況發生的概率只有
≈ 0.00006%，幾乎不可能發生，因此你做出了判斷：骰子有極大可能被人動過了手腳。

這就是一個驗證統計顯著性的例子：

1.對于一個可能存在的新現象（骰子被動過手腳），假設現象不存在（骰子一切正常）；

2.收集大量實驗數據后，發生了概率極低的事件（骰子連續8次6點），或者發現數據和理論預期存在明顯偏離；

3.有充足理由推翻零假設，說明新現象具有統計顯著性，可以被認定為真實存在的效應（骰子被動了手腳）。

問題來了：要發生概率多低的事件、數據和預期存在多大的偏離，才能確定統計顯著性呢？科學界采用的標準方法是使用標準差σ的倍數來衡量觀測數據與理論預期（零假設）之間的偏離程度。具體而言，不同σ值對應的統計顯著性水平如下：

置信度是指統計結果的可信程度，計算方式就是1減去第二列的概率。置信度越高，說明新的實驗現象越可能是真實存在的，而非偶然誤差。

用扔骰子的例子來理解，數據和預期偏離3σ的概率是0.0063%，比連續5次投中6的概率還要小；偏離5σ的概率只有0.000057%，更是相當于連續8次投中6！

在科學研究中，如果實驗數據和理論預期的偏差在3σ以下，那只能說明“找到了新現象存在的跡象”；達到3σ，則意味著“找到了新現象存在的證據”；而達到5σ以上，科學家們就可以比較放心地認為“發現了新現象”。

正態分布圖中距離平均值的距離和置信度的對應關系（圖片來源：Dirk Mallants）

5σ：粒子物理學的“黃金標準”

通過統計顯著性來判斷是否存在科學新發現，這在粒子物理學的研究中尤其常見。

粒子物理學的研究對象是比原子還要微小的粒子。在大型粒子加速器的實驗中，每秒會發生上百萬次粒子對撞事件。面對海量數據，粒子物理學家必須依靠統計學的方法，才能排除背景噪聲、實驗設備缺陷等因素導致的實驗誤差，發現可能的新粒子或新物理現象。

歐洲核子中心的大型強子對撞機，每次碰撞可以產生上百萬次粒子對撞事件（圖片來源：歐洲核子中心）

粒子物理實驗的數據分布圖上常常會出現一些凸起的小鼓包，這一般是由隨機的統計漲落引起的。隨著數據量變大，統計漲落的影響越來越小，這些小鼓包也就會隨之變得不再明顯。

然而，如果分布圖里觀測到一個明顯凸起的小鼓包，數據量變大時仍穩定出現，并且這個結構在現有理論下無法得到解釋，那就可能預示著新物理現象的發現。

如何判斷這種小鼓包是否確實代表新物理現象呢？這就需要借助統計顯著性來分析。粒子物理學領域中有一條“黃金標準”：只有實驗數據與背景假設（即“無新物理現象”的假設）之間的偏差達到5σ，才能確認發現了新物理現象。

以歐洲核子中心（CERN）發現被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子為例，研究人員很早就在125GeV能區觀測到了一個異常信號，但一直等到數據量積累到統計顯著性達到5σ的黃金標準，才正式宣布希格斯玻色子的重大發現。

雙光子衰變過程在能量為125GeV，附近發現的小鼓包就是希格斯粒子（圖片來源：歐洲核子中心）

為什么是5σ？

5σ對應的置信度約為99.99994%，觀測結果是由隨機統計漲落導致的概率僅有0.00006%，這樣的新發現被認為確鑿無疑。事實上，在大多數使用統計分析的研究領域，5σ的統計顯著性標準太過嚴苛了。例如在生命科學領域，通常3σ的顯著性（對應99.73%的置信度）就足以支持重要發現。然而，粒子物理學對精確性的追求尤其苛刻，畢竟物質基本性質的研究是人類認識宇宙的基石，任何微小的誤差都將帶來非常重大的影響。

嚴苛的標準還來源于慘痛的教訓。粒子物理史上曾多次出現“假信號”的案例，例如2015年歐洲核子中心曾報告觀測到質量約為750GeV的“新粒子”，顯著性大于3σ，在當時引起了巨大轟動。但是后續隨著實驗數據的積累，“新粒子”的信號逐漸消失不見，最終被證實為統計漲落引起的“假信號”。

750GeV左右凸起的鼓包最終被證實源于統計漲落，而非新粒子的信號（圖片來源：歐洲核子中心）

更何況，即使實驗數據的顯著性達到5σ的黃金標準，仍有可能被后續研究推翻。2023年，美國費米國家實驗室宣布了一項重大發現：μ子反常磁矩的測量值偏離粒子物理標準模型的理論預言，置信度達到了5σ。這一結果引起了學術界的極大關注，很多人相信這是存在“新物理”的實驗證據。

時間到了2025年6月初，在積累更多數據之后，費米實驗室把測量精度提高了4倍。與此同時，理論物理學家們重新審視了計算過程，對理論預期值進行了重要修正。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，實驗測量與理論預言重新達成一致，讓粒子物理學家發現“新物理”的夢想再次破滅。

μ子反常磁矩的測量結果，理論值和實驗值已經趨于一致（圖片來源：費米實驗室）

著名物理學家卡爾·薩根說過，“超凡的主張須有超凡的證據”。5σ標準不僅是統計學上的嚴格篩選，更是粒子物理學對科學真理極端審慎態度的體現。它平衡了探索未知的雄心與避免誤判的理性，確保每一次“發現”都能經受住時間和實驗的反復檢驗。

為什么還不能斷言發現了地外生命？

介紹完通過統計顯著性來判斷物理新發現的方法，讓我們回到文章開頭關于地外生命跡象的研究。

研究人員借助詹姆斯·韋伯望遠鏡的中紅外相機（MIRI）觀測了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。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，此次發現的DMS/DMDS信號的統計顯著性在2.9σ到3.4σ之間，這確實可以稱得上“找到了證據”，但距離5σ的標準還有很大差距。一些新聞報道中提到的數據“確定度高達99.7%”實際上指的是顯著性為3σ時對應的置信度。

MIRI拍攝的K2-18b的大氣光譜（圖片來源：參考資料[1]）

即使隨著實驗數據積累，DMS/DMDS存在的統計顯著性能提升到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生。只有通過后續的觀測和實驗室模擬，徹底排除未知的化學或地質過程產生這些分子的可能性，才能最終將它歸因于生命活動。

事實上，2024年天文學家就曾在一顆名為67P的彗星上發現了DMS的存在。這顆彗星由塵土和冰組成，表面沒有空氣，無法支撐生命活動。這在一定意義上已經證明地外行星的DMS并不能作為生命存在的直接證據。

彗星67P上發現了DMS的痕跡（圖片來源：ESA）

因此，盡管此次研究對于認識K2-18b是一個重大突破，但斷言這顆124光年外的星球存在生命跡象還為時尚早。對于地外生命的探索仍需我們帶著耐心、嚴謹和熱情繼續前行——當然，還有一些統計學的知識。

K2-18b和地球的大小對比示意圖（圖片來源：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

來源：科學大院

原標題：發現外星生命痕跡，確定度99.7%！——等等，這是怎么算出來的？

編輯：瀟瀟雨歇

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