到底有没有外星人？这个问题科学家已经严肃研究了40年｜李楠——科学讲坛

人类已经严肃地花了40年时间，

来搜寻地外文明。

李楠· 中国科学院国家天文台研究员

格致校园第49期 | 2024年 北京

大家好，我是来自中国科学院国家天文台的李楠，今天的话题是《你好，有人吗》。没想到此时此刻，我遇到的情况和我要讲的内容有点像。我站在这里，灯光打在脸上，我根本看不到下面有没有人。所以我要问一下，你好，有人吗？

现在，我们设想一下，如果我代表地球，代表人类，你们代表外星人，我要用什么方式找到你们，又该如何估算你们的数量呢？

▲ 左：bookbaker‍‍

右：pinterest‍‍‍

我在像你们这么大的时候，最关心两个问题，一个是恐龙是怎么灭绝的，另一个是到底有没有外星人。

我相信，你们可能也对这两个问题比较感兴趣。那么大家认为有没有外星人呢？这个问题古今中外一直都有人在探讨。比如说，远古的壁画上，有一些疑似飞碟的图案；在金字塔相关研究中，有些人认为金字塔是外星人造的；还有复活节岛上的巨石雕像，也被认为可能是外星人留下来的遗迹。

这些例子都来自国外，那说到我们中国呢，其实古代小说里也描写过外星人。就比如说，《搜神记》里有这么一段记载：有个小孩儿跟大人一起玩，别人看他很奇怪，就问他：“你从哪儿来呀？”他回答说：“我不是凡人，我来自荧惑。”

荧惑是什么呢？在当时，应该还没有“火星人”这种说法，古人很可能认为，这个小孩儿是荧惑星下凡。因为按照他们的想法，荧惑并非指星体本身，而是天上的星宿。在他们看来，是星宿下凡了。但从我们现在的角度看，这可能讲的是一个火星人来地球访问的故事。

不仅大众对外星人感兴趣，对于专业的天文学家来说，我们也在问这样一个问题，而且这个问题已经上升为一个非常严肃的科学问题了。比如说，这是哈佛和史密松天体物理中心的一些科学家在总结目前非常重要的科学问题，就有一条就是“是否有太阳系外的文明存在？”

不仅如此，美国还成立了一个地外文明搜寻实验室，到今年这个实验室已经成立40周年了。这也是我选这个题目给大家分享的原因——人类至少已经严肃地花了40年时间来搜寻地外文明。

寻找外星人的方法

已完成：10%///////// /

那么大家肯定会问，都搜寻40年了，到底有没有证据能证明外星人的存在呢？

▲左：1967年 约瑟琳·贝尔(UK National Science & Media）

右：“小绿人”（pinterest）

我们先来看看搜寻的历史。其中，最有趣且最有故事性的信号是这样的：1967年，约瑟琳·贝尔博士用射电望远镜，发现了一种非常规则的、呈周期性变化的信号。她认为，如果宇宙中不存在其他人类文明，那么接收到的信号应该是随机的。但如果某个信号总是以非常规则的周期出现，那就很有可能是来自外星人的信号。于是，她给这个信号取名叫“小绿人”。

▲左：1974年诺贝尔奖授予约瑟琳·贝尔的导师安东尼·休伊什（nature）

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

但后来，经她老师研究发现，这并不是外星人的信号，而是来自一种被称作脉冲星的天体。这种天体在宇宙中像灯塔一样不停旋转，所以地球能不断接收到其信号。

这一发现最终荣获诺贝尔物理学奖，但却并没有授予约瑟琳·贝尔博士，而是给了她的导师，可能因为导师提供了望远镜及物理解释。不过，约瑟琳博士得到了比诺贝尔奖更丰厚的基础物理学突破奖，奖金约为诺贝尔奖的三倍，也算得到了更多回报。这是地外文明搜寻历程中一个非常有意思的故事。

到了最近，大家又开始关注某种信号，这种信号被称作快速射电暴。为什么射电信号大家觉得很重要呢？因为我们平时打电话用手机、看电视以及其他所有通讯，都是依靠无线电波，也就是天文学中的射电波来传递信息的。那如果在宇宙中的某一个方向上射电波突然爆发，那就很有可能是由智能文明发出的信号，而快速射电暴就是这样一种信号。

于是，我们在地球上设置接收器，接收来自宇宙的射电信号，看看什么时候会出现这种爆发情况。发现这些信号之后，大家又开始研究。尤其是我们中国的天眼，也针对快速射电暴做了很多探索。研究后发现，好像它们也不是地外文明的信号。因为这些信号更多与某一类天体有关，目前来看，快速射电暴更可能是中子星或者黑洞爆发产生的。

前面提到的这两种搜寻方式，我称之为“盲搜”。为什么叫“盲搜”呢？就是我们不指向特定的某一个方向，就像闭着眼睛在宇宙中“听”，如果能“听”到某类信号，我们就认为可能有文明存在；如果“听”不到信号，那就说明可能没有。

▲左：NASA/Tim Pyle‍

右：The Exo-planets Zoo, Martin Vargic‍‍‍

那么，我们是不是可以进行有针对性地搜索呢？比如说，我们知道人类是生活在行星上面的，那么在宇宙中我们已经发现了众多行星，我们是不是可以针对这些行星，更加专业、细致地去探测它们，看上面有没有地外文明的信号呢？

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

右：arxiv.org

那我们具体看什么呢？这里有一个比较有趣的点。如果一个星球上没有人类，或者说没有发展出工业文明，那么通常情况下就不会产生大气污染。但是，一旦出现了工业化，就会让该星球大气层所呈现出的信号大不相同。所以，我们可以通过观测行星大气层的特征，来判断该行星上是否有工业文明。这是有针对性探索地外文明的其中一个方式。

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

右：interestingengineering‍

还有另外两个比较有趣的方面。比如说，我们假设正在看一个地外行星，并且知道如果这个行星有工业文明。那么在黑夜时段，我们对它进行观测时，会发现一个明显不同的信号——有文明的行星在黑夜会开灯，而没有文明的行星在黑夜不会开灯。那这种亮度上的异常，也是我们寻找地外文明的一种方式。

另外一种则是更具科幻色彩的高级假设。当一个文明发展到足够发达的阶段，达到所谓的二级文明，就是恒星级文明时，它将能够充分利用恒星系内的所有能量。对于恒星级文明来说，最有效的利用方式之一就是建造戴森球，也就是用类似太阳能电池板的装置把恒星包裹起来。从观测角度来看，这会出现两种情况：

第一种情况是恒星被完全包裹。以前我们能看到的一颗恒星，在某一时刻后突然不见了，而且没有出现超新星爆发等任何天文现象，只是毫无预兆地消失，那么我们就可以推测可能是外星文明在做戴森球。

第二种情况是恒星没有被完全包裹，而是被包成环状，并且这个环状结构还在不断转动，这会导致恒星出现光变现象。我们可以通过观测这种光变，来判断是否存在戴森球，进而寻找地外文明。

算出外星文明的数量

已完成：40%///////// /

但是很不幸，截至目前观测到的所有信号，经过反复分析，并没有确凿的证据证明地外文明的存在。那既然找了这么久都没有发现，那到底有没有地外文明呢？如果有，又有多少个呢？我们是不是能够估算一下银河系中有多少这样的文明，然后再针对性地去找一找呢？

▲Dr. Frank Drake（nytimes）

如果你这样想，说明英雄所见略同。1961年，德雷克博士也提出了类似的想法。他认为，在进行搜寻之前，我们可以先估算一下银河系里到底有多少能够与我们交流的地外文明存在。黑板上所写的，就是著名的德雷克公式。可以说从1961年开始，地外文明这个概念，从科幻小说逐渐走入现实生活，成为了一个科学问题。

这张图展示的就是德雷克公式，它的作用是告诉我们如何估算银河系中存在的地外文明数量。可以看到，公式中有很多参数，接下来我会一点点给大家介绍。在这个过程中，大家也可以想一想，如果想估算地外文明的数量，应该考虑哪些因素。

比如说，我们第一个能想到的是行星都得绕着恒星转。那么，既然我们认为地外文明都生活在行星上，如果想估算银河系中有多少地外文明，我们是不是可以先估算一下银河系中有多少个恒星呢？

所以，我们先从估算恒星数量入手。在估算恒星时，我们采用的方式是，先确定银河系每年产生恒星的数量，再乘以恒星存在的时间长度，以此得出银河系中恒星的总数。这其中，第一个参数就是银河系中每年产生恒星的数目，这是目前这个公式里测量最为精确的一项。

比如说，美国航天局（NASA）以及欧洲空间局（ESA）利用最新的设备进行估算，结果表明银河系中每年大约产生1.5-3个恒星。为了便于整个公式的估算，我们可以粗略地将参数范围设定为每年产生1-10个恒星。这就是德雷克公式中的第一个参数。

那么，第二个参数是什么呢？它指的是在这些恒星拥有行星的可能性有多大。这同样是有观测证据支撑的。在地球上，我们运用光变、光谱以及成像等观测手段，对所能观测到的所有恒星周围进行探测，发现好像绝大部分恒星都有行星环绕。基于此，我们初步认为这个概率可能是1，就是每有1颗恒星，它周围就可能存在1颗行星。

但是，科学需要严谨的态度。因为部分恒星太暗或距离太远，我们无法观测到它们，自然也就不确定它周围行星的情况。所以，在这种情况下，我们可以相对保守地估计，1颗恒星拥有行星的可能性约是1/10。

到目前为止，前两个参数的估算具有较高的可信度。而再往后的参数，可能就包含一些猜测的成分了。比如说，即便有了这些行星，也并不是所有行星都能孕育生命，对吧？这就涉及到“宜居带”这个概念。

什么是宜居带呢？首先，行星不能离恒星太近，太近就太热了，一切都可能被烧毁；但也不能太远，太远就太冷了，所有物质都会被冻住。所以，人们提出了宜居带的概念，就是在恒星周围存在这样一个区域，只有当行星处于这个区域里，才是非常适宜生命成长的行星。

当然，还有一种非典型的宜居带，比如在土星和木星周围的卫星，虽然它们离恒星很远，但能接收到土星和木星释放的能量，从而也可以产生水，并且温度适宜。此类非典型宜居带在太阳系里也是存在的。

目前在太阳系中，我们观测到的处于宜居带的天体大约有10个。基于此，我们乐观估计，其他恒星系统也可能有这么多，即大约10个。但太阳系或许比较特殊，因为如果恒星质量太小，它的宜居带就会特别窄，在这么窄的区域里，很有可能不存在行星，也就是我们所说的没有宜居带行星。所以，对于宜居带行星数量的估计，保守来说是1/10，而乐观估计则像太阳系这样，有10个。

有了宜居带的概念后，接下来的问题就是：在这些宜居带里，究竟有多少行星能够孕育出生命呢？目前，这方面的数据观测还不够充分。就拿太阳系来说，我们观测到大约有10个处于宜居带的区域，然而截至目前，只在地球上发现了生命。虽说其他地方也有可能存在生命，但由于观测手段的限制，我们还没有得到确切结果。

基于这种情况，我们乐观估计，10个宜居带天体里可能有1个能产生生命，也就是概率为1/10。但还有另一种可能性，我们目前所观测到的或许只是一小部分情况。也许太阳系中还有更多宜居带天体，但即便如此，它们依然产生不了生命。所以，从保守角度估计，宜居带里的行星或天体产生生命的概率就变为1/100。所以，这个概率范围大致在1/100到1/10之间。

我们继续往下思考：生命进化为智慧生命的可能性有多大呢？这次，我们只能以人类本身的情况为参照，因为我们所观测到的地球是目前唯一的样本。

就目前地球的情况而言，生命确实进化出了智慧生命，所以我们可能会非常乐观地认为这个概率是100%。但是，有些科学家并不认同这一观点。他们指出，恐龙在地球上统治了1亿多年，但始终没有进化为智慧生命。而人类从类人猿，确切地说是从直立人开始，仅用100万年就进化出了 智慧生命。所以，不能简单地将生命进化为智慧生命的概率认定为100%。

因此，有些科学家认为，在地球的整个历史长河中，智慧生命的历史只有100万年。那么我们保守估计，生命进化为智慧生命的可能性约为1/5000。这样，对于生命进化为智慧生命概率的估算，我们就得到了一个介于1/5000到1之间的范围。

接下来探讨的是，智慧生命真正发展成为通信文明的可能性有多大。我们再次以人类自身为例，就人类从智慧生命发展到可以发射信号这一过程而言，我是个乐观派，我认为这个概率是100%。我认为，只要存在智慧文明，就一定会发展出像电磁波交流这样的通信方式。为什么这么说呢？因为人都懒，都想能坐在家里就能点外卖，不需要出门就能达成各种需求，所以一定会催生无线电通信的出现。

但是，也有科学家持不同观点。他们认为这并不一定。想一想，地球上曾经存在过的文明可能有100多个 ，像古埃及文明、古巴比伦文明以及阿兹特克文明等等。但实际上，真正发展出可用于交流的电磁波文明，可能真的只有在近代科技革命之后才实现。以这种方式来估算 ，从智慧文明发展成为星系通讯文明的可能性只有1/100。所以取值范围在1/100到1之间。

对文明的思考

已完成：80%///////// /

到现在，前面几个相关可能性都估算完了，最后我们来看看文明的长度。

文明的长度受很多很多因素影响。我们无法预测，只能进行推测。比如说，文明的长度取决于什么呢？其一是自然灾害，像海啸、干旱、小行星撞地球等情况，都可能大幅缩短文明的存续时间。其二是人类自己导致的毁灭，在天灾人祸中，人祸方面，比如不小心泄露病毒，可能致使人类灭绝；还有大国间爆发核战争，互相扔核武器，最后也会导致人类灭绝。就像爱因斯坦所说，他不知道第三次世界大战会用什么武器，但他知道第四次世界大战人们将用木棒和石头，因为那时人类已退回原始社会。

基于这些情况，我们没法确切估算人类文明到底能持续多久，只能猜测。从悲观角度看，如果人类接下来真的因核战争走向灭绝，即便有少数人苟延残喘，文明可能500年左右就终结了。但是，乐观来看，文明或许可以延续100万年。这是因为，如果一个文明一直致力于发展科技并保持和平，等它的技术足够发达，就可以克服上述所有困难。比如，病毒来了，我们可以研发出最好的药物治疗；小行星来了，我们可以给它炸掉；海啸来了，我们可以搬走。所以，当文明发展到足够高度时，实现100万年的存续并非不可能。

在完成对所有参数的估计后，我们来简单做个总结。左边是悲观估计，右边是乐观估计，我们都想知道，银河系中到底有多少个可交流的地外文明呢？得到的结果，悲观估计是千万分之一，乐观估计则可达1000万个。

同学们可能会说：“老师，你这跟没回答一样啊，这数字跨度也太大了。”其实我想和大家说，要准确估算这个数字，需要非常好的模型，还得有非常好的观测数据作为支撑。

我刚才给出了更为宽泛的范围，而最新的研究成果来自于诺丁汉大学的同事们。他们针对银河系中可交互文明的数量概率做了一项研究，得出的结果是36个。

当然，这个数据的不确定性非常大。这里边包含了一些非常主观的假设，这些假设进一步增大了结果的不确定性。但不管怎么样，这项研究给我们提供了一个预测，而这样的预测是我们非常喜欢看到的。相信在未来，随着观测手段的进步，我们能够做出更好的预测。

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

自从有了德雷克公式后，地外文明研究领域便开始蓬勃发展起来。科研论文的数量大幅增长，各种科研数据也日益丰富。随着研究的不断深入，这个领域的研究范围变得更广泛、更细致、更深入，并且更遥远。这里说的“更遥远”，指的是研究范围不再局限于银河系，而是拓展到了宇宙中更远的地方。

德雷克博士于2022年去世。为了纪念他对天文学领域所做出的贡献，《自然》杂志专门刊发了一篇文章纪念他。相信在未来，地外文明的研究还会持续深入地开展下去。

好，最后我们来做一些简单的总结，并谈谈从中获得的启发。我们在努力寻找地外文明的同时，也许其他文明也在试图找到我们。那么，如果我们希望自己被发现，根据德雷克公式，我们能够掌控的因素只有两个因素：一是智慧文明发展为可交流文明的可能性，二是延长我们自身文明的存续时长。

根据这两点启发，如果未来我们想把行星级文明提升为恒星级文明乃至星系级文明，就一定大力发展科技，并且秉持和平共处的理念。

最后一个启发是，虽然德雷克公式给出的结果范围宽泛，但它背后的逻辑是对的，我们可以用这种方法去解决同类问题。

这里给大家留一个思考问题，大家回去可以想一想。在整个学校里，和你各方面相似的同学有多少个呢？比如身高差不多、跑步速度差不多、跳绳数目也差不多的同学大概有多少。大家可以试着估算一下。

今天的内容就讲到这里。谢谢大家！

“格致论道”，原称“SELF格致论道”，致力于非凡思想的跨界传播，旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院网络安全和信息化领导小组办公室主办，中国科普博览(中国科学院科普云平台)提供技术支持。欢迎关注格致论道官网: self.org.cn，微信公众号: SELFtalks，微博: 格致论道。

本文转载自《格致论道讲坛》微信公众号

《物理》50年精选文章