宇宙探索：銀河係裏有多少外星人?


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在1980年12月14日播出的紀錄片《宇宙》第12集中，該節目的聯合創作人兼主持人Carl Sagan向電視觀眾介紹了天文學家Frank Drake提出的德雷克方程(Drake equation)。利用這個方程，他計算出了銀河係中可能有多少先進文明可以利用外太空的現代無線電通信技術與我們取得聯係。Sagan的估計從“可憐的極少數”到數百萬不等。Sagan以他獨特的方式吟誦道：“如果一個文明在發明射電天文學後不總是很快地自我毀滅，那麽天空就可能會輕輕嗡響，把來自星星的信息發送給我們。”
Sagan對一個文明能否在自己的技術“青春期”中生存持悲觀態度。“青春期”指的是文明發展的過渡期，比如核能、生物工程或無數其他強大能力，這期間很容易自我毀滅。從本質上講，他對泛星係生命和智慧的存在持樂觀態度。但他的信仰的科學基礎卻是不可靠的。Sagan和其他人懷疑，生命出現於溫和的環境中是宇宙的必然事件，因為地質證據表明，生命在地球上出現的速度快得令人震驚——約40億年前，那時我們的地球剛從熾熱中充分冷卻下來。如果像我們的世界一樣，其他星球上的生命迅速出現，並隨著時間的推移變得越來越複雜，也許智能和技術也可能在整個宇宙中普遍存在。
然而，近年來，一些持懷疑態度的天文學家試圖用貝葉斯統計這種複雜的方式分析，在這些聲明背後加入更多的經驗分量。他們專注於兩個巨大的未知因素：在類地行星上，生命從非生物環境中誕生的可能性——這一過程被稱為“非生物起源”，以及由此產生智慧生命的可能性。即使有了這樣的估計，天文學家也不同意這些結果對宇宙其他地方的生命有任何意義，因為即使是最好的貝葉斯分析法，也隻是基於地球得出的結論，還缺乏關於地外生命和智慧的確鑿證據。
1961年，天文學家Drake提出了德雷克方程（Drake equation），計算出銀河係中能夠通過無線電波發送或接收星際信息的文明的數量。它依賴於許多因素的相乘，每一個因素都量化了我們對銀河係、行星、生命和智慧的某些方麵的星空体育官网入口网站。
這些因素包括ƒp（太陽係外行星的恒星的比例）；ne（係外可居住行星的數目）；ƒl（可居住行星的生命出現的比例）等等。
普林斯頓大學的天體物理學家Ed Turner說:“在Drake寫下（這個方程）的時候，甚至在25年前，這些因素中幾乎任何一個都可能是導致生命非常稀少的因素”。現在我們知道，環繞恒星的世界普遍存在，那些在最基本的大小、質量和日照方麵與地球相似的行星也很常見。簡而言之，銀河係似乎不缺少可以孕育生命的地方。然而，“在整個因素鏈中，有一個最大的不確定性，就是生命誕生的可能性——即在合適的條件下，從化學到生命的飛躍”Turner說。
忽視這種不確定性會導致天文學家做出相當大膽的斷言。例如，上個月，英國諾丁漢大學的Tom Westby和Christopher Conselice計算出銀河係中至少有36個智慧文明能夠與我們交流，這一結果登上了新聞頭條。這一估計是基於這樣一種假設，即智慧生命在類地行星形成45億至55億年後才出現。
哥倫比亞大學的天文學家David Kipping說：“這隻是一個非常具體而有力的假設。我沒有看到任何證據表明這是有百分百把握的事情。”
回答關於“非生物起源”和智慧出現的可能性的問題是非常困難的，因為科學家隻有一個已知條件：地球上孕育出了生命。“我們連一個完整的數據點都沒有，”Kipping說。“我們甚至不知道地球上的生命何時出現，即便知道也沒有定論。”
另一個基於我們觀察到的假設的問題是所謂的“選擇偏差”。想象一下，你買彩票，在第100次時中了頭獎，你可能會認為中彩票的概率是1%。這個錯誤結論就是一種選擇偏差，如果你隻考慮到中獎者而沒有考慮失敗的人（即數千萬購買彩票但從未中獎的人），就會出現這種偏差。當談到計算“非生物起源”的概率時，Kipping說：“我們無法了解失敗的情況。所以這就是為什麽我們在這個問題上處於非常具有挑戰性的位置。”
再說說貝葉斯分析。該技術使用了貝葉斯定理，該定理以18世紀英國統計學家和長老會大臣Thomas Bayes的名字命名。為了計算某些事件發生的幾率（比如“非生物起源”），天文學家首先要得出一個可能的概率分布——相當於一種最準確的猜測。例如，我們可以假設“非生物起源”的時間可能在地球形成後的1億到2億年之間，也可能在地球形成後的2億到3億年之間，或者在地球曆史的任何一個1億年之間。這些假設被稱為貝葉斯先驗，並且它們是明確的。然後統計學家收集數據或證據。最後，他們結合先驗和證據來計算所謂的後驗概率。在“非生物起源”的情況下，根據我們之前的假設和證據，這種可能性就是在類地行星上出現生命的可能性。後驗不是一個單一的數字，而是一個量化任何不確定性的概率分布。例如，它可能顯示，“非生物起源”的可能性隨著時間的推移而增加或減少，而不是先驗所暗示的均勻概率分布。


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2012年，Turner和他的同事、當時在新澤西州普林斯頓高等研究院（Institute for Advanced Study in Princeton, N.J.）工作的David Spiegel，首次嚴格地將貝葉斯分析應用於“非生物起源”研究。按照他們的方法，在類日恒星周圍的類地行星上的生命要到世界形成後的某個最短年限(tmin)才會出現。如果生命在某個最大時間（tmax）之前沒有出現，隨著它的恒星老化（並最終死亡），該行星上的條件將變得非常惡劣，不可能有自然生物發生。Turner和Spiegel的目的是計算tmin和tmax之間“非生物起源”的概率。
研究人員研究了幾種不同的概率分布。他們還假設，在“非生物起源”之後，智慧需要一段固定的時間才會出現。
有了這樣的假設——地球上生命起源的地球物理學和古生物學證據，以及進化理論對智能生命出現的解釋，Turner和Spiegel就能夠計算出非生物起源的不同後概率分布。雖然生命早期出現在地球上的證據可能表明非“非生物起源”是相當容易的，但後人並沒有對這種可能性設定任何下限。“計算沒有排除非常低的概率，這是一種統計上的常識，”Turner說。盡管生命在地球上迅速出現，但“非生物起源”可能仍然是一個極其罕見的過程。
“Turner和Spiegel的努力嚐試是對這個問題的第一次真正嚴肅的貝葉斯進擊，”Kipping說。“我認為吸引人的是，他們打破了這種默認的、關於早期生命出現的天真解釋。”
盡管如此，Kipping認為研究人員的工作並非沒有缺點，他現在試圖用他自己的更詳盡的貝葉斯分析來糾正它。例如，Kipping質疑了智力在“非生物起源”後的某個固定時間出現的假設。他說，這可能是選擇偏見的另一個例子，選擇偏見是一種受我們自身智力產生的進化路徑影響的概念。“本著編碼你所有的無知的精神，為什麽不承認你也不知道那個數字呢?””Kipping說，“如果你試圖推斷生命出現需要多長時間，那麽為什麽不同時研究智力呢?”
這一建議正是Kipping所嚐試的，他對“非生物起源”和智慧出現的概率進行了估計。他選擇了“Jeffreys先驗”，這是由另一位英國統計學家和天文學家Harold Jeffreys設計的。據說它是最大程度的無信息。因為Jeffreys先驗沒有考慮大量的假設，它更看重的是證據。Turner和Spiegel也曾試圖找到一個無信息的先驗。
Turner說：“如果你想知道數據告訴了你什麽，而不是你之前的想法，那麽你需要一個無信息的先驗。”在他們2012年的分析中，研究人員使用了三個先驗，其中一個是信息最不充分的，但那時他們沒有使用Jeffreys 先驗，盡管他們意識到了這一點。


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在Kipping的計算中，先驗的注意力集中在他稱之為參數空間的“四象限”上：生命普遍，智慧普遍；生命普遍，智慧罕見；生命罕見，智慧普遍；生命罕見，智慧罕見。在貝葉斯分析開始之前，所有四個象限的可能性都是一樣的。
Turner同意使用Jeffreys先驗是一個重大的進步。“這真的是我們擁有的最好的方式，純粹去詢問數據試圖告訴你什麽”他說。
Kipping將Jeffreys先驗與地球上生命出現和智慧出現的稀有證據相結合，得到了後驗概率分布，這使他能夠計算出四個象限的新概率。例如，他發現，“生命普遍，智慧罕見”的情況比“生命罕見，智慧罕見”的情況多9倍。即使智慧並不罕見，“生命普遍”這種情況的最小優勢比也隻有9比1。Kipping說，“這種幾率不是人們會賭上房子的那種。你很可能輸掉賭注。”
不過，他說，這種計算“是一個積極的跡象，表明那裏應該存在生命。這至少說明，生命起源並不是一個艱難的過程。”
並非所有的貝葉斯統計學家都同意這一觀點。Turner對這一結果做出了不同的的解釋。盡管Kippimg的分析表明，生命在地球曆史的早期出現這一事實更支持“非生物起源”是普遍的這一假設，具體的優勢比為9:1。但是Turner說，這個計算結果並不意味著這個模型的真實性9倍於[“非生物起源”現象是罕見的]模型。他還說，Kipping的解釋“有點過於樂觀了”。
Turner對Kipping的研究表示讚賞，他認為，即使是最複雜的貝葉斯分析也會為宇宙中稀有的生命和智慧留下空間。“我們對地球上生命的了解並不能排除這些可能性”他說。
不隻是貝葉斯統計學家對Kipping的解釋有異議。任何對生命起源問題感興趣的人都會對他的解釋持懷疑態度，因為任何分析都要基於地球上生命的地質、地球物理、古生物學、考古學和生物學證據，而這些證據中沒有一個能明確非生物發生和智力出現的時間線。
哥倫比亞大學的天文學家和天體生物學家Caleb Scharf說：“我們仍然在努力定義生命係統。從科學的定義來看，這是一頭難以捉摸的野獸。這對於關於‘非生物起源’的時間，甚至是關於智力進化的陳述來說都是有問題的。”
如果我們有嚴格的定義，問題仍然存在。“我們不知道生命是否開始、停止、重新開始。我們也不知道生命是否隻能以一種方式構建，”Scharf說。地球何時適宜生命生存？當它出現時，這種“生命”氨基酸的第一批分子是RNA還是脂膜?在生命第一次出現之後，它是否曾經被地球曆史早期的一些災難性事件所消滅，然後又以一種可能不同的方式重新開始?“不確定性非常多，”Scharf說。
所有這些粗略的證據使貝葉斯分析變得困難，但作為一項技術，它仍然是處理更多證據的最適合的方法——比如，發現過去火星上存在生命跡象，或者目前在木衛二上存在生命跡象。
“一旦我們有了另一個數據點，[貝葉斯模型]就是最好地利用這些額外數據的方法。突然之間，不確定性急劇減少。”Scharf說，“我們沒有必要去調查銀河係中的每一顆恒星，以弄清楚某個地方是否可能存在生命。再多一兩個數據點，我們就能從本質上了解宇宙產生生命或智慧的傾向。這下得到的結果會相當有力。”
作者：Anil Ananthaswamy
翻譯：張玉
審校：施懌
引進來源：科學美國人
引進鏈接：https://www.scientificamerican.com/article/how-many-aliens-are-in-the-milky-way-astronomers-turn-to-statistics-for-answers/


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