银河系中有多少外星人？

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1980年12月14日，在纪录片《宇宙时空之旅》播出的第12集中，节目的联合创作人兼主持人Carl Sagan向观众介绍了天文学家Frank Drake提出的德雷克方程（Drake equation）。利用这个方程，他计算出了银河系中可能有多少先进文明，可以利用现代化的无线电通信技术向我们发送信号。Sagan的估计是，从极少数到数百万不等。Sagan以独特口吻表示：“如果一个文明在发明射电天文学后，不是很快毁灭，那就会向地球发送信息。”

Sagan对一个文明能否活过技术发展的“青春期”，持悲观态度。“青春期”指的是文明发展的过渡期，比如处于发展核能、生物工程等强大能力的时期，这一阶段很容易导致自我毁灭。从本质上讲，他对泛星系生命和智能的存在持乐观态度，但其中的科学基础并不可靠的。Sagan等人认为生命出现于温和的环境中是必然事件，因为地质证据表明，生命在地球上出现的速度十分迅速——约40亿年前，地球刚从炽热中充分冷却下来。如果像地球一样，其他星球上的生命迅速出现，并随时间演化得越来越复杂，也许智能和技术也可能在整个宇宙中普遍存在。

近年来，一些持怀疑态度的天文学家试图用一种更复杂的方式分析——贝叶斯统计（Bayesian statistics），证实在这些声明背后，经验的分量更重。他们专注于两个巨大的未知因素：在类地行星上，生命从非生物环境中演化的机率——这一过程被称为“自然发生学说”，以及由此产生智慧生命的可能性。即使进行了这样的估计，天文学家也不认为这些结果对寻找宇宙其他地方的生命有任何意义。因为这些方法也只是基于地球得出的结论，还缺乏地外生命和智能的证据。

1961年，天文学家Drake提出了德雷克方程（Drake equation），计算出银河系中能够通过无线电波发送或接收星际信息的文明的数量。它需要将许多因素相乘，每一个因素都量化了我们对银河系、行星、生命和智能等方面的知识。这些因素包括ƒp（太阳系外具有行星的恒星的比例）；ne（系外可居住行星的数量）；ƒl（可居住行星出现生命的比例）等。

普林斯顿大学的天体物理学家Ed Turner说:“在Drake写下这个方程的时代，甚至直到25年前，这些因素中几乎任何一个都是导致生命非常稀少的原因”。现在，我们知道环绕恒星的行星普遍存在，那些在大小、质量和日照方面与地球相似的行星也很常见。简而言之，银河系似乎不缺少可以孕育生命的地方。然而，“在整个因素链中，有一个最大的不确定性是生命诞生的可能性——即在合适的条件下，从化学中演化出生命，”Turner说。

天文学家忽视这种不确定性时，会做出相当大胆的断言。例如，英国诺丁汉大学的Tom Westby和Christopher Conselice计算出银河系中至少有36个智慧文明能够与我们交流。这一估计是基于这样一种假设，即智慧生命会在类地行星形成45亿至55亿年后，出现在这些星球上。哥伦比亚大学的天文学家David Kipping说：“这只是一个非常具体且有力的假设。”但回答出现自然演化和智能可能性的问题，是非常困难的，因为科学家只有一个已知信息：地球上孕育出了生命。“我们连一个完整的数据点都没有，”Kipping说，“我们甚至不知道地球上的生命是何时出现的。”

还存在另一个问题是，基于我们在地球的观察结果做出的假设会存在“选择偏差”。想象一下，在买彩票的第100次时中了头奖，你可能会认为中彩票的概率是1%。这个错误结论就是一种选择偏差，如果你只考虑到中奖者而没有考虑其他失败的人，就会产生这种偏差。当谈到计算“自然发生”的概率时，Kipping说：“我们无法了解失败的情况。所以，这是一个非常具有挑战性的问题。”

为了计算这些事件发生的几率（比如“自然发生”），天文学家首先要得出一个可能的概率分布情况。例如，我们可以假设“自然发生”的时间可能在地球形成后的1亿到2亿年之间，也可能在地球形成后的2亿到3亿年之间，或者在地球历史上任何一个长达1亿年的时间段中。这些假设被称为贝叶斯先验。随后，统计学家收集数据或证据，结合先验和证据来计算所谓的后验概率。在“自然发生”的情况下，根据我们之前的假设和证据，计算出的可能性就是在类地行星上出现生命的可能性。后验概率不是一个单一的数字，而是一个量化任何不确定性的概率分布。

2012年，Turner和当时在普林斯顿高等研究院工作的David Spiegel，首次严格地将贝叶斯分析应用于“自然发生”研究。按照他们的方法，在类地行星上的生命要在行星形成一个最短年限后才会出现。而如果生命在行星形成的一个最大时间之前还没有出现，随着恒星老化，该行星上的条件将变得非常恶劣，不可能自发形成生命。Turner和Spiegel的目的是计算在2个年限之间，出现“自然发生”的概率。

研究人员还研究了几种不同情况的概率分布。他们还假设，在生命自然发生后，智能需要一段固定的时间才会出现。基于这一假设，Turner和Spiegel结合地球上生命起源的地球物理学和古生物学证据，以及演化理论对智能生命出现的解释，计算出“自然发生”在不同情况下的后验概率分布。

虽然，关于地球早期出现生命的证据可能表明“自然发生”是相当容易的，但Turner表示，“计算没有排除非常低的概率，这是一种统计学上的常识。”尽管生命在地球上迅速出现，但“自然发生”可能仍然是一个极其罕见的过程。

“Turner和Spiegel尝试第一次使用贝叶斯方程分析这个问题，”Kipping说。“我认为吸引人的是，他们打破了默认的、关于早期生命出现的简单解释。”

尽管如此，Kipping认为研究人员的工作并非没有缺点，他正在试图用更详尽的贝叶斯分析来纠正它。例如，Kipping质疑关于智力在“自然发生”后、某个固定时间出现的假设。他说，这可能是另一个选择偏见的例子——它受到了地球人类自身智力演化路径的影响。

这正是Kipping所尝试的，他对“自然发生”和智慧出现的概率进行了估计。他选择了“Jeffreys先验分布”，这是由另一位英国统计学家Harold Jeffreys设计的，具有最大程度的无信息。因为这一先验没有考虑大量的假设，它更看重的是证据。

在Kipping的计算中，先验主要集中在他称之为参数空间的“四个角”上：生命、智慧普遍（1），生命普遍、智慧罕见（2），生命罕见、智慧普遍（3）和生命、智慧罕见（4）。在使用贝叶斯分析开始之前，四个角发生的可能性都是一样的。Turner同意使用Jeffreys先验分布是一个重大的进步。“这真的是我们拥有的最好的方式，仅仅去询问数据想要说出的答案，”他说。

Kipping将Jeffreys先验分布与地球上出现生命和智慧的稀有证据相结合，得到了后验概率分布，这使他能够计算出四个象限的新概率。例如，他发现，第二种情况（生命普遍，智慧罕见）比第4种情况（生命、智慧罕见）的概率增加了9倍。即使智慧并不罕见，两种“生命普遍”情况的最小几率比为9比1。不过，他说这种计算“是一个积极的迹象，生命应该存在。这也至少说明，生命起源并不是一个艰难的过程。”

尽管Kippimg的分析表明，生命在地球历史的早期出现这一事实更支持“自然发生学说”是普遍的这一假设。但是Turner说，这个计算结果并不会改变“自然发生学说”现象是罕见的。他还说，Kipping的解释“有点过于乐观了”。Turner对Kipping的研究表示赞赏，他认为，即使是最复杂的贝叶斯分析也会考虑到宇宙中出现生命和智慧的概率可能很小。“基于我们对地球上生命的了解，也并不能排除这些可能性，”他说。

但是，任何对生命起源问题感兴趣的人都会对他的解释持怀疑态度，因为任何分析都要基于地球上生命的地球物理、古生物学、考古学和生物学等证据，而这些证据中没有一个能明确自然发生和智能出现的时间线。哥伦比亚大学的天文学家和天体生物学家Caleb Scharf说：“我们仍然在努力定义生命系统。从科学的角度来看，一直无法对其进行准确的定义。有关‘自然发生’的时间甚至是关于智力演化的表述，都是有问题的。”

即使我们有严格的定义，问题仍然存在。“我们不知道生命是否经历开始和停止后，又重新开始。我们也不知道生命是否只能以一种方式构建，”Scharf说。地球何时适宜生命生存？当生命出现时，这种“生命”的第一批分子是氨基酸、RNA还是脂膜?在生命第一次出现后，它是否曾经被地球早期的一些灾难性事件毁灭，然后又以一种可能不同的方式重新开始?

所有这些粗略的证据，都使得贝叶斯分析变得困难。但作为一项技术，它仍然是一种最好的处理更多证据的方法。比如，用于发现过去火星或者被冰雪覆盖的木卫二上存在生命的迹象。“一旦我们有了另一个数据点，贝叶斯模型就是一种最好的利用这些数据的方法。而不确定性也会急剧减少，”Scharf说，“我们没有必要去调查银河系中的每一颗恒星，以弄清楚某个地方是否可能存在生命。再多一两个数据点，我们就能从本质上了解宇宙产生生命或智能的倾向，而获得的结果也将更有说服力。”

撰文 | Anil Ananthaswamy

翻译 | 张玉

审校 | 施怿

文章链接：

https://www.scientificamerican.com/article/how-many-aliens-are-in-the-milky-way-astronomers-turn-to-statistics-for-answers/

来源：casihep 中科院高能所