互动科普

地球是否独一无二

要想知道地球之外是否存在生命，

我们必须正确认识自己在宇宙中的意义：

我们是宇宙中唯一的特例，还是仅仅是一种普通的存在？

撰文 凯莱布 · 沙夫（Caleb Scharf） 翻译 谢懿

按照任何人类计量标准，宇宙空间都是无比巨大的，宇宙中的物质也多得可怕。相对于宇宙极其漫长的历史而言，人类存在的时间不过一瞬；而且，宇宙还有着更为漫长的未来——无论人类会继续存在，还是消失。在这样浩渺的空间与漫长的历史中，想要找到我们在宇宙中的位置、发现我们存在的意义，这些尝试似乎是一个天大的玩笑。也许，我们某天能发现自身的重要性？这种幻想简直太愚蠢了。

然而，我们却正在试图这么做，尽管我们看起来非常平凡普通——大约500年前文艺复兴时期，哥白尼把地球从太阳系的中心位置拉下来时，这一点就非常明显了。过去几百年里，哥白尼的观点一直是最伟大的科学指南之一，也是我们洞悉宇宙基本结构和真实世界本质的关键路标。

在评估自身意义的过程中，我们面临一个难题：一些发现和理论认为，生命既普通又常见，还有一些观点则与之完全相反。从细菌到大爆炸，我们该如何整合对宇宙的已有认知，进而来解释，我们是否是一种特殊存在？我们越来越了解自己在宇宙中的位置，这对于寻找地外生命又有着什么样的暗示？我们该如何迈出下一步？

认知缺陷

17世纪，商人兼科学家的安东尼·范·列文虎克（Antony van Leeuwenhoek），用他手工制造的显微镜第一次看到了细菌，由此把人类带入了一个完全陌生的微观世界。显微镜将我们能够观察的物理尺度一下子降低了几个量级，在这个令人惊奇的微小尺度上，我们看到了身体内部的“繁荣世界”。如果按照尺度大小把生命体排列成一个图谱，那么显微镜的观察结果，为生命图谱小尺度端的很多问题，如身体的组成、分子结构的排列等，提供了首批线索。我怀疑，在列文虎克之前，人类是否有机会认真地思考过这一现实问题。

只要看一眼鲸鱼和大树，我们就会知道，地球上存在着体积和质量都比我们大得多的生命体。然而在整个生命尺度图谱上，人类所处的位置其实更靠近生物尺度的上限。最小的可繁殖细菌只有零点几埃米（1埃米=1×10 -10米）；最小的病毒大概是最小细菌的十分之一。人体的大小，大约是我们所知道的最简单生命形式的1 000万～1亿倍。

在恒温陆栖哺乳动物中，我们的体型也偏大，但并不是最大的。在小体型的一端，我们近亲中体积最小的是姬鼩鼱（pygmy shrew），这是一种身材袖珍、有皮毛和血肉的动物，体重仅2克。它们的体重处于一个允许存活的边缘带上，它们勉强可以通过狼吞虎咽地进食来补偿身体不断流失的热量。但是，相对于我们的大小，大多数哺乳动物的体型都更接近姬鼩鼱，以至于全球哺乳动物的平均体重仅为40克。在生命尺度图谱上，人类这种复杂的多细胞智慧生物体，位于最大生命尺度的边缘，仅有为数不多的哺乳动物比我们大。

我们处于一个交界线上：介于种类多样的小型生物和种类较单一的大型生物之间，这是一个不争的事实。再来看一下我们的行星系统。在某些方面，它确实不同寻常。我们的太阳并不属于数量最多的恒星类型（数量最多的那类恒星中，多数恒星质量较小），相比大多数太阳系外行星，地球目前的公转轨道更接近圆形，轨道半径也更大；与周围的行星邻居相比，地球也算不上“超级地球”。“超级地球”的质量是地球的数倍，所有行星系统中，至少有60%的行星属于“超级地球”，但在太阳系中却不存在“超级地球”。如果你是星系的缔造者，你可能是把太阳系作为异类来设计的——与普通星系相比，太阳系有点不太正常。

太阳系的一部分独特特征，可以归因于一点：相对于大多数星系，太阳系没有经历过大规模的动力学调整。但这并不意味着，我们可以确保太阳系未来依然会宁静祥和。一些先进的引力模拟表明，几亿年之后，太阳系可能会突然进入一个更加动荡的时期。此外，再过50亿年，太阳将会膨胀，进入间歇性动荡的老年阶段，太阳系内的行星特性会因此发生剧烈改变。所有这些都表明，今天的我们也正好处于时间的交界面或者边界上，处于太阳及其行星从青年时期向衰老期过渡的阶段。现在回想起来，我们处于这样一个相对平静的时期并不那么奇怪。这同我们周围环境的其他方面也一样：我们生活在一个气候温和的地方，不太热，也不太冷；物质既没有太强的化学腐蚀性，也不是完全惰性的；既不会剧烈变动，也不会一成不变。

还有一点看起来也十分明显：天体物理学上的平静区域远远超出了银河系所在的范围。就整个宇宙而言，我们生存的这个时期，远远老于宇宙年轻而高温的骚动期。在宇宙中的每个角落，恒星诞生的速度都在放缓。其他恒星以及它们周围行星的平均形成率，只有80亿～110亿年前的3%。恒星正在慢慢淡出整个宇宙。就宏观宇宙而言，在50亿或60亿年前，宇宙就已处于大爆炸之后的减速状态中。现在，我们又再次处于一个平缓的过渡阶段。源自真空本身的暗能量正在加速空间的生长，并抑制宇宙中的结构向更大尺度发育。但这意味着，生命注定最终会走向惨淡未来，被隔离在越来越难以辨识的宇宙之中。

把所有这些因素加在一起，很明显，我们对内部和外部宇宙的认识都是高度受限的，犹如管中窥豹。事实上，在其他环境下——无论是有序还是无序的时空，我们对随机事件的基本直觉，和我们用科学方法得出的统计推断，可能会有所不同。隔绝于宇宙中其他任何生命（我们尚未找到或偶然遇到其他生命）这一基本事实，将会深刻影响我们的判断。

 “有序—混沌”原理

我们有大量的证据支持哥白尼的观点，即我们并不特殊。然而与此同时，我们所处环境的很多特性，又表达了不同的观点。其中一些特性带来了所谓的人择原理（anthropic principle），通过观察大自然的某些基本常数，发现这些常数似乎以某种方式被“精细调整”过，使得宇宙的基本属性在某一边界附近达到平衡，而这一边界是地球及其生命得以存在的区域边界。哪怕偏差一点点，宇宙的性质就会截然不同。比如调整引力的相对强度，结果是要么无法形成恒星，也无法锻造出重元素，要么会出现大质量恒星，但这些恒星会很快消逝，不会留下任何副产品，没有后代，更无法形成生命。同样地，如果改变电磁力，原子之间的化学键就会变得太弱或太强，从而无法构建出多种多样的分子结构，也就无法形成令人难以置信的复杂宇宙。

我们该如何来理解这些矛盾？我认为，就我们在宇宙中的位置，事实正在把我们推向一个新的科学理念，既有别于哥白尼理论，也不同于人择原理，这一理念继续发展下去，最终会自成一派。或许，我们可以称之为有序—混沌原理（cosmochaotic principle），即介于有序（order，原于希腊语kósmos，意为“秩序”）和混乱之间的状态。它的实质是，生命，特别是像地球上的生命，会一直处于一些区域的边缘或界限上，而这些区域，在能量、位置、尺度、时间、有序和无序等诸多特性上，往往是不同的。行星轨道稳定还是混乱，行星上气候和物理学的变化，都是这些特性的直接表现。无论在哪个方向上，只要距离这些边界太远，生命的天平就会倒向不利的一端。与我们类似的生命，都需要各种因素恰当地组合在一起，才可能出现和存在。

靠近这些边缘区域，可以把系统的变动限制在可控的范围之内，但也不能太靠近，否则系统会经常崩溃。 “宜居带”（goldilocks zone）这个概念与之极为相似，所谓宜居带，就是恒星周围适宜行星存在的宇宙环境，这是一个非常小的参数空间。但对于生命而言，宜居带则可能是动态变化的——在空间或时间上是不固定的，它是一个不断变化、扭转、弯曲的多参数变量，就像一个舞者的肢体所画出的轨迹。

如果这是一个普适的规律，即生命只存在于这些环境之中，那它会为我们自身在宇宙中的意义带来一些有趣的可能性。不同于严格的哥白尼思想（强调我们是一种普通的存在，进而认为类似的情况在整个宇宙极为普遍），生命的存在需要不断变化的参数和动态调整的观点，缩小了生命可能存在的范围。根据这一新观点，生命存在的几率也与人择原理不同——后者最极端的预测认为，在所有的空间和时间内，生命形成只会有一次机会。相反，上述新观点可以确切地指出，生命应该出现的地方和可能会出现的频次。也指出了宜居带可能存在的位置。这个观点也说明，形成生命所需的基本特性，都存在于一个由许多游变的参数所构成的虚拟空间内，这也反映出了宜居带的位置。

这种形成生命的规律，并不意味着生命是现实世界的特殊部分。生命也许是这个宇宙或其他任何宇宙中最复杂的物理现象，但生命的产生过程，却非常特殊：必须要在介于有序和混沌之间的适当环境下，才可能诞生如此复杂的自然结构。关于生命最适合存在于哪些地方的理论，将帮助我们解决一直悬而未决的难题：在这个宇宙中，生命到底是普遍存在，还是极为罕见？

本文译者 谢懿是天文学博士，现就职于南京大学天文与空间科学学院，研究领域为相对论基本天文学。