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生命天堂是怎樣煉成的——地球
生命天堂是怎樣煉成的——地球
中科院高能所 作者: 盧昌海 2016-10-26 16:54:40 舉報
閱讀數:1953
如果問太陽系行星中哪一個最難寫?應該是地球。地球該怎么寫?最好的辦法也許是挑幾個特殊角度

一、從到處存在到適度存在

如果問太陽系行星中哪一個最難寫?很多人也許會想到資料較少的水星,或天王星、海王星。但實際上,資料的多少是相對的,從絕對數量上講,無論水星,還是天王星、海王星,都足可寫出一整本書而不至于窮盡資料。從這個意義上講,寫一個行星的難度往往不在于資料的少,而恰恰相反,在于資料的多,若限定每個行星只寫一篇文章就更是如此。因此,起碼對本系列而言,太陽系行星中最難寫的乃是我們腳下的地球。地球的難寫,還不僅僅因為資料太多,而且也在于讀者對她的相對熟悉。比如拿地貌來說,描寫其他行星的地貌是科普甚至科學,描寫地球的地貌搞不好卻會被當成散文。因此,在任何合理的篇幅之內對地球進行全面介紹都是既不可能也無必要的。

那么,地球該怎么寫呢?最好的辦法也許是挑一個特殊的視角來寫。與荒蕪的水星及地獄般的金星相比,地球最鮮明的特色莫過于是一個生命天堂。那么,就來寫寫這個生命天堂是怎樣煉成的吧。不過,哪怕寫這么一個特殊視角,難度也依然不小。別看我們有關地球的資料浩如煙海,其實資料越多,細節也越多,而細節越多,問題往往也越多。“生命天堂是怎樣煉成的”就是一個因細節繁多而尚無完整答案的問題。因此我們真正要寫,或者說能寫的,不是這個問題的答案,而是答案可能或必然會涉及的一些支撐生命天堂存在的條件。只有從那些條件入手,才有可能找到那目前尚不明了的答案。

很明顯,生命天堂賴以存在的首要條件是她的“地基”:行星。日心說確立后,很多人曾一度相信大多數,甚至全部行星上都存在生命。不過,隨著行星探索的展開和深入,隨著像金星那樣一度被寄予厚望的行星上存在生命,尤其是高等生命的可能性被觀測所排除,人們開始意識到行星并不是生命,尤其是高等生命出現的充分條件,后者明顯還需要包含其他條件。那么,什么樣的其他條件是生命,尤其是高等生命的出現所必需的呢?有多少行星能滿足條件呢?對于這些問題,有許多人做過研究,也有許多人寫過綜述。

太陽系行星

我小時候讀過阿西莫夫的一本名為《地球以外的文明世界》的科普書,所討論的就是這些問題。阿西莫夫在書中相當周詳地逐項分析了生命,尤其是高等生命出現所需的條件,并對滿足條件的可能性進行了估計。他的結論是:在銀河系中,目前約有53萬個行星上存在著有技術文明的高等生命,他們的平均間距約為630 光年。阿西莫夫的結論是很受科幻迷們歡迎的,因為早期那種到處存在生命,乃至高等生命的觀念雖已破滅,但像《星球大戰》、《星際迷航》那樣的科幻電影或電視系列片還是假設了大量高等生命的存在。比如《星際迷航》的“題記”中就有一句很令人神往的話:“尋找新的生命和新的文明”。阿西莫夫的結論既沒有讓高等生命的數量“超標”到與觀測相沖突的程度,又多到了足以支撐各種科幻需要,可謂是“適度存在”,有一種恰到好處的折中性。

不過,分析雖然周詳,結論雖然受歡迎,阿西莫夫的資料和推理卻遠不是無可挑剔的。這其中舊資料的過時和新資料的出現自不必說,最主要的缺陷還是在推理,因為直到今天,這依然是一個推理超前于資料的領域。從推理上講,阿西莫夫的結論所具有的折中性很大程度上乃是來自推理本身的折中性。事實上,幾乎是旦凡遇到無法做出可靠判斷的因素時,阿西莫夫就采用了所謂“折中原則”,將有關概率設定為50%,或以地球數據作為代表。這當然是很不可靠的。

除阿西莫夫外,很多其他人也進行過類似的估計,細節上雖各不相同,卻都有一定的折中性。得到的結果則大同小異,也是“適度存在”。比如美國天文學家薩根利用估算銀河系內高等生命數量的著名公式德雷克公式得到了數量級相同的結果:100萬。

二、稀有地球假設

不過到了2000 年,此類估計的“風向”有了陡然的轉變。那一年,美國古生物學家瓦德和天文學家布朗利出版了一本名為《稀有地球》的書,提出了被稱為“稀有地球假設”的新估計。按照這種新估計,像地球這樣的生命天堂有可能在整個銀河系,甚至整個可觀測宇宙中都是“稀有”的。當然,這里首先要澄清一點,那就是稀有地球假設并不是認為生命在宇宙中是稀有的,它針對的只是諸如復雜動植物那樣的所謂高等生命,其中包括像人類這樣有技術文明的高等生命。

稀有地球假設有兩條立論的基礎:一條是認為高等生命的出現需要經歷數十億年的漫長演化;另一條是認為高等生命的演化離不開表面存在液態水的行星環境。這其中后一條并無新意,前一條則是經稀有地球假設的“提拔”而變得重要起來的。在這兩條基礎之上,高等生命的出現需要什么具體條件呢?這是稀有地球假設所關心的,我們下面就來介紹一下。首要的當然是行星的位置,具體地說,是行星離恒星的距離。這一距離直接關系到行星的表面溫度,進而影響到行星表面液態水的存在與否。在瓦德和布朗利的書中,這一因素被風趣地比喻成房屋買賣中最首要的“地段”因素。當然,這一因素并不是稀有地球假設所特有的,離恒星太近的行星會太熱,離恒星太遠的行星會太冷,只有不近不遠,處于所謂“可棲息帶”中的行星的表面才可能存在液態水,這是人們早就知道的。

不過,稀有地球假設對這一因素的分析有一個獨特之處,那就是將“高等生命的出現需要經歷數十億年的漫長演化”這一立論基礎引了進來,提出了所謂“持續可棲息帶”的概念。什么是持續可棲息帶呢?顧名思義,就是在高等生命的出現所需的數十億年的漫長演化時間之內,能“持續”使行星表面存在液態水的“可棲息帶”。這一概念之所以有必要特意提出,是因為恒星本身的光度,即恒星每秒鐘以電磁輻射的形式所發射的能量是隨時間變化的。以我們的太陽為例,自“長大成人”,即進入主序星那會兒算起,它的光度已增加了40% 左右。相應地,太陽周圍可棲息帶的位置則有了自內向外的推移。很明顯,在這樣的變化中,持續可棲息帶是各個時刻可棲息帶的交集,從而要比任何一個時刻的可棲息帶都更狹窄。行星處于持續可棲息帶中則是比處于可棲息帶中更嚴格的條件。

那么,一個恒星周圍的持續可棲息帶究竟有多大呢?很遺憾,目前尚無公認答案。這是因為持續可棲息帶的大小跟恒星光度在長達數十億年的時間范圍內的變化有關,從而是一個與恒星演化理論有關的困難問題。事實上,哪怕對于我們最熟悉的太陽,持續可棲息帶的范圍也是尚有爭議的,其中一組被瓦德和布朗利所引用的估計是1993 年由美國科學家卡斯丁給出的,范圍是從距太陽0.95 天文單位到1.15 天文單位(即寬度為0.2 天文單位)。由于行星處于持續可棲息帶中是比處于可棲息帶中更嚴格的條件,像地球這樣的生命天堂顯然要比原先估計的更加稀有。可棲息帶或持續可棲息帶的概念不僅適用于恒星的周圍。星系被認為也是有持續可棲息帶的。比如星系的核心區域由于星球密度太高,諸如近距離超新星爆發之類會對生命演化造成滅頂之災的突發事件的發生頻率將大為增加,被認為是無法出現高等生命的,因為無法保障出現高等生命所需的數十億年的漫長演化。星系的外圍則因為重元素的相對稀缺,也被認為是不利于高等生命出現的,因為無法提供后者所需的原材料。因此,在星系中就像在恒星周圍一樣,只有距離中心不近不遠的區域才是有可能出現高等生命的。

這個概念就是所謂星系的持續可棲息帶,它的存在進一步增加了生命天堂的稀有性。出現高等生命所需的數十億年的漫長演化不僅限制了行星的位置,對恒星本身也提出了不低的要求。初看起來,持續可棲息帶是對所有恒星都存在的,只不過小質量恒星因為光度低,持續可棲息帶離恒星較近,大質量恒星因為光度高,持續可棲息帶離恒星較遠,其實卻不然。事實上,恒星天文學上的一個基本事實乃是恒星的光度增加遠遠超過質量增加。由于光度代表能量消耗,質量則是能量儲備,光度增加遠遠超過質量增加意味著大質量恒星會很快就“油盡燈枯”,它們的壽命確切地說是主序星生涯的時間比太陽的短得多。比如一個質量比太陽大50% 的恒星的壽命只有35 億年左右(太陽的約為100 億年),一個質量5 倍于太陽的恒星的壽命更是只有不足2 億年。因此,在大質量恒星中,只有質量比太陽略大的才有可能提供出現高等生命所需的數十億年的漫長演化時間。

在著名的MK 分類系統中,恒星按表面溫度從高到低大致對應于質量從大到小被分為O、B、A、F、G、K、M 七大類,每一大類又按表面溫度從高到低分為從0 到9 十小類。依據這種分類,我們太陽的類型是G2,比F0 更大的恒星就會有壽命太短的問題,無法保障出現高等生命所需的數十億年的漫長演化。另一方面,小質量恒星雖有“長壽基因”,卻也有自己的麻煩,因為它們的持續可棲息帶離它們較近,但近到一定程度之后,持續可棲息帶內的行星就會因為受到恒星引力潮汐的影響,而出現與恒星之間的“潮汐鎖定”現象。這種現象一旦出現,行星將始終以同一面朝向太陽,使那一面無可避免地出現酷熱、另一面則無可避免地陷入嚴寒,季節、晝夜等變化則全都消失,這被認為是不利于生物存在,更遑論高等生命的出現的。在MK 分類系統中,比K5 更小的恒星就有可能使持續可棲息帶內的行星陷入“潮汐鎖定”的麻煩。因此,大有大的問題,小有小的麻煩,在所有恒星之中,只有像太陽這樣“中不溜秋”(其實是略微偏大)的恒星才是適合“撫育”高等生命的,這是讓生命天堂稀有的又一個因素。

假如上述條件全部滿足,即行星的位置適當,恒星的類型也恰好,生命天堂是不是就能煉成了呢?還不行,因為出現高等生命所需的數十億年的漫長時間對行星氣候也是一個極嚴苛的要求,而行星氣候除了跟行星所處的位置及恒星的類型有關外,還取決于行星本身的很多性質,比如行星大氣的成分等。拿地球來說,在她所經歷的數十億年的漫長時間里,比如今很多人所擔心的有可能在幾十或幾百年內造成不可逆危害的溫室效應劇烈得多的氣候變化比比皆是,更不用說哪怕極細微的變化,經足夠長時間的累積后也完全有可能造成不可逆的危害,比如導致液態水的完全喪失。在地球的歷史上,所有這些氣候變化全都化險為夷了,才有了今天生命天堂的盛景。這種維持數十億年的細致平衡也被認為是高度稀有的。既然說到了氣候,那么顧名思義,也得說說“氣”,即大氣層。

大氣層

一個行星要想長期保住一個足夠濃密的大氣層,本身也是有條件的,比如質量不能太小,否則引力太弱,哪怕一度有過大氣層,也會像窮漢保不住美貌妻子一樣慢慢因氣體分子的逃逸而喪失。另一方面,按我們如今對行星的理解,當它的質量大到一定程度后,又會因引力太強而在吸積過程中自然而然地變成氣態巨行星,那被認為也是不適合高等生命的。因此,高等生命的出現要求行星的質量“不大不小”。

除氣候外,行星的磁場也被認為是對高等生命的出現具有很大的重要性,因為它能對恒星風和宇宙線中的帶電粒子產生阻擋作用,從而一方面防止它們危害行星表面的生命,另一方面則阻止它們吹散行星的大氣層。把這些有關恒星和行星的條件綜合起來看,煉成像地球這樣的生命天堂確實是很不容易的。但這還不是故事的全部,因為稀有地球假設還引進了一類截然不同的因素。前面介紹過的所有因素都是直接因素:行星是生命的存在之地,恒星是生命的能量來源,顯然都很直接。稀有地球假設所引進的那一類截然不同的因素則是間接因素,是一些初看起來并不重要,甚至跟高等生命的出現風馬牛不相及的因素。比如以地球為例,月球就是這樣一個因素。初看起來,地球上的生命與月球何干?或者更一般的,行星上的生命與衛星何干?但稀有地球假設的支持者們的看法卻并非如此。他們提出:月球的存在對于維持地球自轉軸的穩定有著重要影響。眾所周知,地球是在自轉的。   

目前地球自轉軸與公轉軸的夾角相當穩定地維持在22°到24.5°之間,由此產生了相當穩定的四季變化。一些天文學家的模擬計算表明,倘若沒有月球,地球自轉軸與公轉軸的夾角將不會如此穩定,它的變化范圍將大幅擴大為從0°到85°甚至90°。這不僅將破壞四季變化的穩定,破壞生物對季節的適應,而且還有更嚴重的后果。因為當夾角接近90°時,地球幾乎是“躺倒”著自轉的,當自轉軸指向太陽時,幾乎整個北半球都將經歷長達數月的連續白天,南半球則相反,是長達數月的連續黑夜,起碼就陸地氣候而言,這將導致一邊酷熱,一邊嚴寒的局面。當自轉軸背向太陽時,則南北互換,但同樣是一邊酷熱,一邊嚴寒。這種極端氣候將對生物,尤其是陸地生物的生存和演化造成嚴重困難,在稀有地球假設的支持者們看來是不適合高等生物的。當然,僅僅如此還不算大問題,因為衛星并非稀有之物,多數行星都有衛星。但月球之所以能對地球自轉軸的穩定起到重要影響,是因為它異乎尋常的大,事實上,它是太陽系衛星之中相對于行星而言最大的。

地球自轉軸與公轉軸的夾角

不僅如此,按照目前最流行的觀點,月球乃是起源于地球演化早期——約45 億年前——的一次超級碰撞,碰撞的雙方一方是正在成長中的原地球,另一方是一個差不多有火星那么大的超級“隕石”。雖然在太陽系形成之初,星體間的碰撞十分頻繁,但如此規模的碰撞,并由此而產生如此巨大的衛星仍是相當稀有的。假如高等生物的出現有賴于行星自轉軸的穩定,而后者又有賴于稀有碰撞產生的巨大衛星,它本身自然也就相當稀有了。仍然以地球為例,除月球外,稀有地球假設的支持者們還把目光盯到了木星上,認為這個行星“老大哥”對地球上的高等生命起到了近乎于“保護神”的作用。這話從何說起呢?得從隕星說起。

因為對地球生命的最大威脅之一乃是大質量隕星的撞擊,比如曾經雄霸地球的恐龍就被認為很可能是因一顆大質量隕星撞擊地球而滅絕的。假如那樣的滅絕事件過于頻繁,需要數十億年漫長演化的高等生命就很可能沒有機會產生。而木星的巨大引力場被認為能夠相當有效地掃清太陽系空間里的隕石,從而保護了地球上的生命演化。更苛刻的是,木星的這種保護還不能太過分,即不能離地球太近,否則不僅有可能干擾地球公轉軌道的穩定(從而直接影響到地球表面溫度的穩定),甚至還可能造成更嚴重的后果:阻止地球的形成!因為木星的巨大引力場有可能搶奪掉形成地球所需的“原材料”,使地球成為一個小得多的行星(從而既不會有磁場,也保不住大氣層),甚至像木星近旁的小行星帶那樣根本凝聚不成單一的行星。

因此,高等生命的出現初看起來只要有行星、恒星及合適的位置就夠了,實際上卻還需要一個大得異乎尋常的衛星來維持行星自轉軸的穩定,以及一個距離適當的巨行星來掃清行星形成過程中幾乎必然殘留的大量隕石。稀有地球假設在這些額外因素中最大限度地突出了“稀有”二字。至于稀有地球假設考慮的很多其他因素,比如大氣的成分、液態水的數量、板塊運動,生物進化本身的偶然性,等等,限于篇幅,就不一一介紹了。那么,在考慮了所有因素之后,在銀河系中隨機挑選一個行星,它能煉成生命天堂的幾率有多大呢?稀有地球假設的一些支持者認為可能會小到一萬億分之一(10–12)甚至更小。相應地,銀河系中像地球這樣的生命天堂的數量將遠小于阿西莫夫等人的估計,甚至有可能只有地球這顆“獨苗”。

三、 稀有地球之爭

毫無疑問,稀有地球假設所描繪的圖景對于偏好《星球大戰》和《星際迷航》那樣到處有智慧生物的科幻迷們來說是頗為黯淡的。當然,幾家歡喜幾家愁,對于堅信自己是上帝創造的唯一人類,地球是上帝創造的唯一家園的人來說則或許是科學支持信仰的福音。這個圖景究竟有幾分可信呢?現在還很難回答。在科學上,一個假設的證明離不開邏輯和證據,而在目前這個階段,別說高等生命,在地球以外哪怕原始生物都尚未被發現,因此起碼從直接證據的角度講稀有地球假設所涉及的乃是一個空白領域,甚至在可預見得到的將來都有可能維持空白。不過,從偏于邏輯的角度講還是大有探討余地的。事實上,對稀有地球假設的每一個推理環節,都有科學家提出了異議。

接下來,我們就按照與上文相同的順序,對稀有地球假設所考慮的每個因素逐一介紹異議。通過這種介紹,我們不但可以對稀有地球假設有更多了解,還可以看到科學并不僅僅是一系列定律或定理的集合,而是包含了大量爭議。科學是在爭議中尋找前行道路的。首先來看看持續可棲息帶這一概念。這一概念當然是不無道理的,出現高等生命所需要的長期穩定的環境確實要求行星長期處于可棲息帶之中。但我們前面提到過,持續可棲息帶的范圍有多大卻是有爭議的問題。以太陽系中的持續可棲息帶為例,我們提到過美國科學家卡斯丁給出的距太陽0.95 天文單位到1.15天文單位(寬度0.2 天文單位)的范圍,這個范圍曾被瓦德和布朗利所引用。但是,包括卡斯丁本人的后續研究在內的一些新近研究已經對它的遠端邊界作出了修正,從1.15 天文單位修正為了1.4 天文單位,寬度則從原先的0.2 天文單位增加到了0.45 天文單位,比太陽系四顆類地行星的不到0.4 天文單位的平均間距還大。在這種情況下,太陽系四顆類地行星全都位于持續可棲息帶之外反倒是稀有了。

不僅如此,哪怕原先那0.2 天文單位的寬度其實也算不上很窄,太陽系四顆類地行星中至少有一顆落在這一范圍內的概率也并不小。雖然我們對其他恒星周圍的行星分布還了解得很少,但越來越多太陽系以外的行星被發現,已使得人們越來越不認為太陽系具有特異性,從而其他恒星周圍有類地行星落在持續可棲息帶內也未必稀有。針對持續可棲息帶的這種異議是有一定代表性的,它雖然不能排除稀有地球假設所考慮的因素,卻顯示出那因素并非真正稀有。接下來我們還將反復看到這種類型的異議。星系的持續可棲息帶就是這種異議的又一個例子。雖然這方面的分析同樣不無道理,但在星系這種巨大尺度上,哪怕籠統看起來不適合高等生命的區域,也完全可以局部地具備出現高等生命的條件,因此星系的持續可棲息帶是并不嚴格的。

退一步說,即便把星系的持續可棲息帶以外的區域嚴格排除掉,也并不構成一個很稀有的因素,因為剩下的區域仍包含了10% 左右的恒星。類似地,恒星類型方面的限制也不是一個很稀有的因素。我們前面講過,這一因素可以大致排除掉比F0 更大或比K5 更小的恒星,那么剩下的恒星有多少呢?仍有20% 左右,從而并不很稀有。行星氣候方面的因素又如何呢?維持數十億年的細致平衡聽起來確實嚴苛,實際上卻也有不那么嚴苛的可能性。最關鍵的一點是:行星的氣候變化倘若是隨機或單向的,要在長達數十億年的時間內維持行星表面的液態水確實是很困難的,但假如氣候變化不是隨機的,而是存在適當的負反饋機制,則情形就會大不相同。因為負反饋機制會自動對氣候變化進行反向校正,雖然不能保證永不失控,卻可以大大降低失控的概率。

那么,在行星氣候方面究竟有沒有負反饋機制呢?以地球為例的研究結果是肯定的。人們早就知道,地球大氣中的二氧化碳既可以被雨水等帶入土壤和巖石,也可以通過火山噴發等重新回到大氣中,這被稱為“無機碳循環”,以區別于由生物造成的所謂“有機碳循環”。研究表明,“無機碳循環”具有穩定氣候的作用。比如氣溫若變得太低,使地球表面的液態水大量凍結,則雨水將大幅減少,雨水將大氣中的二氧化碳帶入土壤和巖石的過程也將大為減弱。但火山噴發將二氧化碳送回大氣等過程仍將正常進行,從而使大氣中的二氧化碳濃度由原本的平衡不變改為增加,進而使溫室效應增大,最終使氣溫回暖;反過來,氣溫若變得太高,則海水蒸發將加劇,雨水將大幅增加,雨水將大氣中的二氧化碳帶入土壤和巖石的過程也將大為加強,乃至超過火山噴發將二氧化碳送回大氣等作用,使大氣中的二氧化碳濃度減少,溫室效應減弱,最終使氣溫回冷。這正是一種典型的負反饋機制,而且沒什么理由認為是地球特有的。既然存在負反饋機制,則長期穩定的氣候也就未必有想象的那么稀有了。至于作為氣候之源的大氣層所要求的行星質量的“不大不小”,則顯然是又一個并不真正稀有的因素:因為在太陽系的四顆類地行星里,保有濃密大氣層的行星除地球外就只有金星,兩者合計占了類地行星數目的50%。

那么磁場呢?行星磁場對于高等生命的出現果真重要嗎?很多天文學家也說出了“不”字。就拿對恒星風和宇宙線中的帶電粒子產生的阻擋作用來說吧,能被行星磁場有效阻擋的其實只是能量較低的帶電粒子。但更具危害性卻阻擋不了的高能粒子也并不能對行星上的生物產生重大危害,因為地球這個現成的反例就擺在那里,高能粒子之所以并不能對行星上的生物產生重大危害,是因為在進入大氣層后由于跟氣體分子碰撞而被吸收了,是大氣層而不是磁場起到了更重要的保護作用。至于行星磁場阻止恒星風吹散行星大氣層的作用,也有一個現成的反例擺在那里:金星。這個離太陽比地球更近,從而太陽風“吹拂”得更猛烈的行星就是沒有磁場的,可它的大氣層非但沒有被吹散,反而比地球的還稠密得多。可見,維持大氣層的“硬道理”并不是磁場而多半是引力。退一步說,哪怕行星磁場的上述作用都不容忽視,也未必是決定性的,因為我們地球的磁場在歷史上曾不定期地出現過磁極反轉,在反轉過程中有數以千年的時間,磁場強度不足如今的十分之一,卻并未對生命演化造成可察覺的負面影響。

行星磁場

再退一步說,哪怕行星磁場的上述作用是決定性的,也未必是什么大問題,因為按我們目前的理解,行星磁場對塊頭較大的行星來說并不是稀有的東西,而幾乎是必然的。在塊頭較大的行星中,像金星這樣沒有磁場的反倒是稀有的,可能是自轉超慢等稀有條件造成的。因此,哪怕行星磁場果真重要,它所導致的限制條件也幾乎與對行星質量的要求相重疊,從而基本上可以從“稀有”因素中除名。最后,那些貌似跟高等生命的出現風馬牛不相及,但被稀有地球假設引進來的因素經過另一些天文學家的研究,也顯示出它們有可能確實就是“風馬牛不相及”的東西。比如月球,它對于維持地球自轉軸的穩定確實是有作用的,假如目前的地球失去月球,其自轉軸的方向確實會在大范圍內變化。但被稀有地球假設忽視的是:這種變化的范圍是跟地球的自轉快慢有關的。模擬計算表明,假如地球的自轉周期不是現在的24 小時左右,而是12 小時或更短,那么哪怕沒有月球,自轉軸方向的變化范圍也會小得多,對季節變化及生物的影響也將小得多。而更“詭吊”的則是,從某種意義上講,地球的自轉原本確實是更快的,是被月球的引力攝動拖了后腿才變慢的,依照變慢的趨勢反推回去,在距今25~40 億年前的太古代,地球的自轉周期本就在12 小時左右。正所謂“成也蕭何,敗也蕭何”,假如月球從那時起就不曾存在過,地球的自轉周期將維持在12 小時左右,本來也不太需要月球來維持自轉軸的穩定。

當然,月球產生于超級碰撞的流行理論若是成立,則超級碰撞本身對地球的自轉周期應該也是有影響的,假如月球果真從來就沒有存在過,產生月球的那次超級碰撞也該被除去,那種情況下地球的自轉周期會是什么?倒是一個難以回答的問題。但起碼,地球自轉軸的穩定依賴于很多因素,月球的作用并不像稀有地球假設的支持者們認為的那樣確切。假如把考慮范圍擴大到太陽系以外的行星系統,則行星自轉軸的穩定還跟行星系統中其他行星的大小和分布等因素有關,更不能一概而論。更何況,就算地球自轉軸的方向果真在大范圍內變化,是否就一定不能出現高等生命,本身也是不無爭議的。

再談談木星,如果說月球的作用是“成也蕭何,敗也蕭何”,那么這個被稀有地球假設抬到“保護神”位置上的行星“老大哥”的情況有可能比那還不如,有點“成事不足,敗事有余”的意味。比如距今約6500 萬年前的恐龍及大量其他物種滅絕的事件被認為很可能是隕星撞擊地球造成的,那隕星來自何方呢?有人認為是來自遙遠的奧爾特云,也有人認為是來自小行星帶。對后一種可能性來說,木星是脫不了干系的,它的引力攝動被認為是使小行星脫離原先軌道與地球相撞的“幕后推手”。不僅如此,作為風險源的整個小行星帶的存在都很可能是木星的巨大引力造成的。

木星

從這個意義上講,木星在充當“保護神”的同時,很可能也是地球上很多災變事件的肇事者,它的功過和作用是很難一概而論的。退一步說,即便木星果真是“成事”多過“敗事”,恐怕也只能歸入并不稀有的因素之列,因為過去這些年對太陽系以外行星的搜索已經發現了大量像木星那樣的氣態巨行星,這雖然跟觀測手段造成的自然篩選有關(因為在如此遙遠的距離上,氣態巨行星比小塊頭行星更容易被發現),卻也基本上排除了木星稀有的可能性。至于稀有地球假設所涉及的大氣的成分、液態水的數量、板塊運動,生物進化本身的偶然性等等其他因素,“限于篇幅”,前面既然已經省略了,這里也就不引述異議了,但每一項也都是有異議的,在稀有地球之爭中,異議之廣泛真正達到了“一個都不能少”的境界。

如果小結一下的話,那么異議跟稀有地球假設有一點是共同的,那就是它們都是理論上的可能意見。從這個意義上講,究竟哪一種意見更合理有時是難以取舍的。不過,假如說阿西莫夫的推理因為反復使用了“折中原則”而不可靠,那么稀有地球假設可以說是反復而系統地使用了“擇壞原則”這是我杜撰的術語,指的是在所有可能性中優先選擇不利的可能性。這是比“折中原則”更不可靠的做法,因為在不得不作出概率性挑選的因素中,一般來說是“中間”的概率較大,兩端無論是“壞”端還是“好”端的概率較小,“擇壞原則”是系統性地擇取了概率較小的選項,可以說是相當靠不住的。另外,稀有地球假設還有另一個很大的系統性缺陷,那就是迄今為止關于生命我們只有一個“樣本”,那就是地球上的生命。任何學過統計的人都知道,依據小樣本進行推理是魯莽的。比如我們若從未見過水生生物,也許很難想象有些生物居然可以待在水下而不會像我們一樣被淹死。

當然,地球生物的多樣性使我們知道生物既可以生活在水里,也可以生活在陸地上,因此不會有這個思維死角,但地球生物雖然多樣,卻都是在適應地球環境的過程中繁衍出來的,把這種多樣性放在浩瀚的宇宙中算不算得上足夠“多樣”?恐怕不是一個容易回答的問題。假如這個問題無法回答,則就連稀有地球假設的兩條立論基礎,即“高等生命的出現需要經歷數十億年的漫長演化”和“高等生命的演化離不開表面存在液態水的行星環境”,都未必是毫無爭議的,更遑論其他因素。

不過,爭議歸爭議,由于觀測還遠遠跟不上,要想對稀有地球假設作出可靠判斷在目前看來還是很渺茫的,因為依我們目前的技術,要想探測太陽系以外行星上的生命,并區分簡單生命與高等生命,幾乎是不可能的,除非那些高等生命高等到了能主動來探訪我們!不過有一點倒可以肯定,那就是像地球這樣的生命天堂是否有稀有地球假設所認為的那樣稀有雖不得而知,但無疑是不容易煉成的,最起碼在太陽系中是“只此一家,別無分號”的。關于這后一點,筆者念中學時曾擬過一個當時很得意,卻從未有機會在作文里用到的句子,那就是:“哪怕地球上最普通的小草,也起碼是在半徑60 億公里的太陽系空間里獨一無二的”(當時冥王星還被視為太陽系的邊界)。

最后談點個人偏好。從個人偏好上講,我是不希望稀有地球假設成立的。吾生也晚,沒趕上“大航海時代”的探險家們在地球上發現新大陸、新島嶼和新部落的那些激動人心的日子,只能把幻想放在像《星際迷航》那樣的“尋找新的生命和新的文明”上,雖明知在自己有生之年是不太可能看到什么的,而且也并無理由認為其他星球上的高等生命假如存在的話對我們來說是幸事,因為用我們的善惡標準來衡量,他們完全有可能是惡意的。但幻想就是那樣一種偏于美化的愿望,雖不免空泛,掐滅了卻終究是令人寂寞和傷感的。當然,個人偏好在科學上是沒有分量的,因此,還是讓我們等待邏輯和證據來作出判定吧,無論要等多久。

作者簡介

盧昌海,本科就讀于上海復旦大學物理系,畢業后赴紐約哥倫比亞大學從事理論物理學習及研究,并獲物理學博士學位。現旅居紐約。著有《那顆星星不在星圖上》、《太陽的故事》、《黎曼猜想漫談》(獲第七屆吳大猷科學普及著作原創類金簽獎)、《從奇點到蟲洞》、《小樓與大師》(入選“2014 中國好書”)、《因為星星在那里》等。

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