群星都是你们的世界（上）

群星都是你们的世界

——在宇宙中寻觅外星生命

［加拿大］乔恩·威利斯 著

曾毅宋迎春译

献给罗丝（Rose）和莎拉（Sara），

她们是上天给我的礼物。

序

群星都是你们的世界——除了欧罗巴[1]。不要尝试在那里着陆。要共同应用它们。要战争天时用它们。

群星都是你们的世界——这一书名所隐含的想法是：无论在理想性上还是在内涵上，在宇宙中寻觅生命的大门对任何对科学感兴味的人都是敞开的。这句话引自阿瑟·C.克拉克[2]的《2010：奥德赛II》（亦翻译成《2010：太空漫游》）。我在此提到这部科幻小说，乃是有意为之。

我们关于外星生命的许多先入之见都源于作家和电影制造者的想象。这类发明性想象常常十分深化且震动人心，但其深化和震动之处可能在于提示了人类发明者的实质，而非提示了某些未知外星生命的实质。不外，这类想象也让我们或多或少有了关于外星生命的观念：它们可能以何种形态存在？它们会欢送我们还是吃掉我们？还是会先欢送我们，再吃掉我们？

这些观念很可能是人类中心主义的。但是，我在大学里讲授关于在宇宙中寻觅生命的课程时，总是会被学生们感动：他们迫不迭待地想超越盛行想象，他们以为科学真相在带来新观念和超前观念方面远超科幻小说，并为此激动不已。

这就是我写作这本书的缘由。

[1] 欧罗巴（Europa），即木卫二，木星的自然卫星之一，由伽利略于1610年发现。（本书中一切注释如无特别阐明，脚注均为译者注，以阿拉伯数字标注，每章最后的尾注均为作者注，以罗马数字标注。）

[2] 阿瑟·C.克拉克（Arthur C. Clarke，1917—2008），英国著名科幻小说家。《2010：奥德赛II》（2010：Odyssey Two）是他的《太空漫游》（Space Odyssey）系列中的第二部。题头中的引文是小说中的超级电脑HAL 9000在消灭前发出的正告。

第一章

异星的浩荡舞台

外星人能否存在？地球这颗行星之外能否还有其他生命？是的，当然有，或许还为数不少。我为何能如此确信，致使于在本书一开篇就给出这个答案？我的回答很大水平上基于数学的论证。如我们所知，宇宙是一个极为浩瀚的空间，在尺度上很可能是无限大的，无限意味着庞大——我们不需求动用数学学问就能了解这一点。宇宙的庞大抵达了这样的水平：固然某种事情（好比生命）发作的可能性小到不可思议，它仍会在某处发作。固然你买彩票中奖的概率微乎其微，但只需这个概率不为零，而你参与的次数为无量大，你就一定会中奖。在一个无限大的宇宙中，任何事情都是可能发作的。当然，这个回答在许多方面都无法令人称心——它将外星生命置于我们想象中那个宇宙空间的角落里，高不可攀。更有趣的问题是：我们在哪里能找到外星生命？它以什么形态存在？它如何生存（以及呼吸）？我们应当如何与之交流？但是，正如我们将在本书中所了解到的——较之我对“外星人能否存在”这一问题随口做出的回答，回答上述这些问题的难度要大得多。

假如我对问题做一点小小的修正，又会发作什么？能否有任何科学证据能证明在地球之外的宇宙中某个中央存在生命？就目前而言，对这个问题的回答是明白的“否”。这可能是由于在地球之外，宇宙中任何中央都不存在生命。但是，依据我在前文中所表白的确信观念，这更可能是由于生命的确存在于宇宙中别的中央，却尚未被我们发现。我们还没有对宇宙中足够多的中央中止搜索、察看、探测和窥视。为使阐明更充沛起见，我还应当指出：我们可能曾经有了关于地外生命的科学证据，但它并未作为肯定性证据得到普遍接受。关于这一点，后文中将有更多讨论。

即便你读完这本书，第二个问题的答案可能依旧是承认的。[1]这很大水平上是由于就我们目前所具有的资源而言，艰难太过庞大。固然UFO（不明飞行物）狂热迷有着各种猜测，但外星生命还没有自动出往常我们的家门口。此外，外星生命似乎尚在我们的望远镜和空间探测器所能够抵达的范围之外。在这样一个科学资源有限的世界上，为了取得最大的胜利，我们不得不就搜索何处和如何搜索的问题做出明白抉择。科学家们将这些努力背地的观念称为天体生物学。天体生物学有三个主要目的：了解地球生命所必须的条件（可能还有一切生命所必须的条件）、在宇宙中寻觅能提供这些条件的位置以及在这些位置探测生命的存在。目前我们曾经发现了大量潜在的生命栖居地，其中有我们太阳系中的行星和卫星，也有盘绕悠远恒星旋转的行星。这些新世界中，有一些星球的环境与我们的地球环境有某种水平的相似——而地球正是宇宙中我们所知的独一存在生命的中央。

讲到这里，急切的读者会提出抗议：为什么在搜索宇宙生命时我们要以地球生命为模板？假如地球生命所代表的只是地外生命所呈现的特征范围中的一个小小碎片呢？我们的搜索面能否过于狭窄了？我们能否会由于不知道如何辨认它们而与真正的外星生命失之交臂？显然，这个问题的答案依旧是肯定的。以地球生命为动身点向外探求，我们的搜索将无法发现一切可能的生命形态。我们会疏忽相似小行星的、自由飘浮的生命体所具有的认识，也会疏忽其他种种想象不到的可能性。但是，我们必须得有一个动身点，我们所了解的独终身命就是地球生命，以此为起点，我们能够对那些与地球相似的行星上可能呈现的各种生命过程做出推测。至于类地行星，我指的是那些具有固态名义和某种大气层，并可能具有各种液态物质的行星。我独一能确认的一点是：我们探求得越多，对生命及其可能性也就会了解得越多。好了，能否要暂缓抗议？让我们继续吧。

因而，我们行将提出的问题就是：生命能否在宇宙中的某些特定位置存在？这样一个重要而基本的问题随同着各种应战：需求采取何种“体检”伎俩才干明白地判定某种可能的陌生生命形态的存在？需求何种技术才干中止这样的研讨？我们能否需求与这些目的生命体中止物理意义上的“接近”？抑或我们能够从远处置解它们？一切都是问题、问题，无尽的问题。这些问题的解答触及的学科五花八门——天文学、物理学、化学、生物学、地质学、数学、计算机科学，这还仅仅是略举几例。固然天体生物学家所运用的概念范围十分普遍，但这些概念所代表的观念还是十分容易了解的。固然我肯定不会说这些观念简单，但任何受过科学教育的人的确都能控制它们。有了这样的认识，我想从一个十分简单也十分古老的观念开端，即“何为世界”。

从旧世界到新世界[2]

一个世界就是一处真实的所在。你能够感遭到它，探求它，以至能够把它拿起来，摇一摇。在某种意义上，这是与一个笼统观念相对的“真实”世界。在人类历史的大部分时间里，地球是唯逐一个这样的世界。因而我们对它中止探求，发现新的文化和生命形态。能被古典天文学家肉眼所见的恒星和行星代表着一个崇高的研讨范畴[3]，但是，他们所察看到的这些恒星和行星最终都被视为黑暗天幕上的一个个光点。人们试图用神话和猜测来描画这些星体的性质，但是这些观念仍旧是笼统的、未经观测的，因而也就是想象性的。发作改动的是我们的视野，我们的眼光离它们越来越近，看到的也越来越多。我们看到的越多，就越认识到每一颗行星和每一颗恒星都是一个真实的世界，主宰它们以及塑造了我们的地球和太阳的，是同样的物理过程。因而我们才干与这些世界相遇，才干对它们中止研讨和探求。我们能够造访这些世界，站在它们的名义，也能够邂逅它们的居民。

伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）是第一个向我们展示这种视野的人。1609年，伽利略试图压服威尼斯的商人们：他那种由一根木管和装置在其两端的两块镜片构成的仪器是用来察看远方船只的好工具。固然你我会将这种设备称为望远镜，伽利略却用“千里望”（perspicillum）这个醒目的名字来采购他的想法。站在位于圣马可教堂钟塔顶上的瞭望点，他能够察看到驶向威尼斯而距港口还有一天航程的船只。望远镜的放大才干能够让他经过辨认船旗和信号旗来分辨每一条驶来的船。伽利略向船主们提出他能够将这些信息卖给他们，这样他们就能够在竞争对手之前抢得一天的先机。我们不分明伽利略在压服威尼斯商人们投入这个市场时取得了多大的胜利，但在某个时辰，他却决议去做一件完整不同却十分有趣的事：伽利略将他的望远镜指向了夜空中的目的，其中有月亮，也有木星和土星这两颗行星。随后的1610年，他在《星空信使》（Sidereus Nuncius）中用质朴无华的文字描画了他所看到的东西，这对尔后的每一个人都至关重要。

他发现月球也是一个世界，而且是一个相当有趣的世界：上面有陨石坑，有划一嶙峋的山脉，也有被阴影掩盖的幽静峡谷。伽利略以为月球上那些润滑而缺乏特征的平原是海洋，他在书中所运用的是拉丁文里的maria，这个名字被我们沿用至今。重要的一点是，一切这些都基于他经过望远镜中止的直接观测。此前，除了月球盘绕地球所做的规律运动之外，人们对月球所知甚少。古典天文学家们将月球视为一个圆满无瑕的造物，这对一位天穹居民来说恰如其分。但是实践上，月球名义布满疤痕，起伏不平，被腐蚀得改头换面，并且阅历过名义重塑——在很大水平上与地球相似。它不圆满，不简单，却也因而奇妙无量！

从伽利略对月球中止最初观测开端，仅仅360年后我们就胜利造访了月球。我们在月球上东挖西戳，还将它的一小部分带回了地球（这种行为后来被证明对我们中止宇宙探求具有严重的意义）。经过对月球中止的多次载人探求和无人探求，我们了解到月球由岩石构成，其岩石成分与地壳颇为相似。就我们所知，最古老的月岩与地球上最古老的岩石同龄，都有44亿年的历史，比具有45.4亿年高龄的陨石（可能是太阳系中最古老的碎片）只年轻一点点。依据这些观测结果得到的推论是：在地球与月球历史早期的某个时辰，这两颗星球可能同属于一大块熔岩。是某次事情——或许是来自年轻太阳系中另一颗小行星的撞击——让地月行星裂成了两半。较大的那块碎片成了地球，较小的碎片则成为月球。

在伽利略·伽利莱与尼尔·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）之间的360年中，月球从一位我们既熟习又陌生的天际旅客变成了一个具有漫长地质历史（这段历史与地球的历史密不可分）的固态星体。在人类将足迹印上月球之前很久，它就作为一个世界进入了我们的认知：它是我们的自然阅历中的一个真实部分，固然悠远，却有着能够触及的真实。

火星异客呈现的可能性

微乎其微。这是H. G. 威尔斯的作品《世界之战》 [4]中天文学家奥格尔维（Ogilvy）的断言。威尔斯的这部小说出版于1898年。当时的公众关于地外宇宙的集体认识正在不时长大，并已准备将火星视为下一个世界。为推进公众置信火星上存在一个外星文化，珀西瓦尔·洛厄尔 [5]付出了很多努力。他的故事对在宇宙中搜索生命具有重要意义，不外洛厄尔的主张同时通知我们：人类也应该时时留意自己是在寻觅外星人，还是在被外星人寻觅。

几句简单的生平引见难以勾勒珀西瓦尔·洛厄尔这个人。固然他关于火星生命的见地有庞大的缺陷，洛厄尔仍是一名严肃的学者。一些能够自由支配财富的有钱人运用自己的资源和对科学的热情，让许多人在他们的研讨范畴做出了杰出的贡献。这一传统由来已久，而能够被视为一名业余天文学家的洛厄尔正是这个传统的一部分。他决议将配备多种望远镜的洛厄尔天文台建在亚利桑那州的黑暗天幕下，而不是靠近大城市以享用各种方便条件[6]。这种做法与当代专业化天文观测的思绪不约而同：望远镜应该坐落在能让其科学观测产生最佳效果的中央。

洛厄尔对天文的兴味主要集中于火星。这种热情源于与他同时期的乔瓦尼·斯基亚帕雷利（Giovanni Schiaparelli）的工作。斯基亚帕雷利是米兰天文台的台长，从1877年的“火星大冲”开端对这颗行星中止观测。在天文学上，所谓“冲”指的是两颗行星（以火星和地球为例）出往常太阳的同一侧，并且与太阳排列成一条直线。此时常常也是两颗行星距离最近的时分。因而“冲”是中止行星观测的良好机遇。

经过折射式望远镜且以斯基亚帕雷利和洛厄尔用过的口径[7]观测火星的话，火星看上去会是一个黯淡的粉色圆盘。假如遍布火山的塔尔西斯高原[8]在视野中，我们就能看到一些明显的黑点。依据观测时辰在火星年中对应的不同时间，我们还能看到火星极地随着时节变更而消长的亮白色冰盖。此外，火星全球范围内都会发作尘暴。尘暴会让整个行星名义周期性地变得含糊，呈现为一个没有细节的圆盘。斯基亚帕雷利宣称他在观测火星时能分辨出火星名义的黑色条纹特征，并将之称为canali（运河）。他留意到：只需在大气活动呈现明显的短暂宁静，即因地球气压变更而含糊晃动的火星图像变得稳定，呈现出火星地表的明晰容颜时，他才干从目镜中分辨出这些特征。

到此为止，一切都还在科学的轨道上。斯基亚帕雷利忠实地观测并发布了他所看到的东西。固然他对这些“运河”的性质做出了猜测，他的观念仍是谨慎而持中的。但是斯基亚帕雷利的观测成了洛厄尔的动身点，使后者在猜测的道路上做出了决议性的腾跃。洛厄尔称斯基亚帕雷利看到的“运河”是火星名义上的真实特征，而且这些“运河”组成了一个全球性的网络。这样一个由条纹结构组成的网络不太可能是自然过程的结果，据此，洛厄尔宣称这些“运河”就是火星人文化存在的证据。

洛厄尔拓展了斯基亚帕雷利的工作，更细致地描画了运河纵横交错的火星名义。令人困惑的是，其他尝试中止独立火星观测的天文学家没能证明洛厄尔的说法。对此，洛厄尔的回应是质问：难道不是只需处在最佳观测地点的最强大的天文望远镜（也就是他自己的望远镜）才干分辨出这样的特征吗？

洛厄尔的断言是出于信心的一跃[9]，时至今日仍有庞大的影响力。火星文化大兴土木，营造一个遍布整个行星的雄伟工程，其目的何在呢？假如我们在火星上观测地球，哪怕运用当代的望远镜，也简直看不见（以至完整看不见）地球名义的任何人造结构。（不外，假如观测者足够聪明，倒是能探测到我们的城市在夜间发出的亮光。）洛厄尔猜测：只需某种庞大的需求会差遣火星人中止如此大范围的修建。他假定火星名义的红色是由于这个星球干旱多尘，濒临死亡，并据此想象火星运河是一些水渠，从封冻的极地向位于赤道的火星文化输送用以维持生命的水。

至此，一切曾经脱离了科学的轨道。只需在或许是大气活动宁静的短暂时辰，洛厄尔才干在火星名义观测到一些倏忽明灭的条纹特征，除此之外他并无证据支持自己的结论。是什么发作了变更？是望远镜。望远镜的口径变得更大，分辨率也变得更高。构成这些转眼即逝的条纹特征的是火星名义的光影交错和地球大气的含糊效果。当人们用更大、视野更明晰的望远镜观测火星名义时，那些运河就像梦境普通消逝了。洛厄尔于1916年逝世，他的幻想也随之消逝无踪。

但是洛厄尔对天文学的热情以及那座用他的名字命名的天文台却为我们留下了一份更为耐久的遗产。1930年，在洛厄尔天文台工作的天文学家克莱德·汤博（Clyde Tombaugh）应用对太阳系外缘的照片曝光来追踪一个盘绕太阳运转的黯淡光点。这个光点就是冥王星。它当时还是（此时在许多人眼中依旧是）太阳的第九颗行星。 [10]

数以亿万计的行星？

太阳系之外，还有别的世界吗？在任何一个夜晚仰视星空，假如没有仪器辅助，你大约能看到3 000颗恒星，而在地球的另一侧还能看到另外约3 000颗。一切这些恒星都位于银河系——也就是我们所在的星系。假如用上望远镜，我们就能看到更多的、明显更黯淡的恒星。我们无法数清银河系内的每一颗恒星（由于它们太过密集，难以被单独分辨出来），但我们能够计算出它们的发光总量，并将之与我们对一颗“典型”恒星发光量的预算值中止对比。经过对发光量的计算，我们得出银河系内的恒星数量约为4 000亿颗。每一颗恒星都与我们的太阳十分相似。其中一些离我们较近，另一些则较远。一部分恒星比我们的太阳更热更亮，另一些则温度较低，也更黯淡。这些恒星是一个个由离子化的气体构成的明亮圆球，其能量来自恒星中心发作的一系列核聚变反响。就此而论，一切恒星都能够归为一类。

我们的太阳具有一个行星系统。那么银河内其他恒星也有相似的行星系统吗？从古典时期开端，许多天文学家就希冀发现盘绕其他恒星旋转的行星。究竟，我们这个太阳系看起来并无特别之处，也是由太阳构成时期遗留下来的尘埃和气体构成。此外，我们的太阳也普普通通——与它在质量和构成上相似的恒星可能在银河系中四处都是。

希冀并不等于发现。直到1995年，天文学家们才第一次确认一颗环绕某个普通恒星（或者说主序星）运转的行星的存在。他们运用的措施简单而精巧，固然行星发出的光会被其母星明亮得多的光辉掩盖，但行星也会对母星构成有规律的引力牵动。我们能够把它们比作一对永不谐和的舞伴：较小的行星盘绕母星轻快旋转，反过来母星也会在一条小得多但同样完好的轨道上转动。丈量这种转动的技术有一个专用术语——恒星视向速度法（stellar radial velocity method），其更常见的名字则是多普勒摆动法（Doppler wobble）。从地球的角度看过去的话，那颗悠远的恒星会由于看不见的行星的影响，显得时而向我们靠拢，时而远离我们。

1995年发现的这颗行星被称为飞马座51b，其母星则是飞马座51[11]，是一颗位于飞马座星区的类日恒星，距离地球50光年。飞马座51b行星的公转周期为4.2天，母星受其影响产生的多普勒速度最大值为56米/秒。与之相比，在我们的太阳系中，木星的公转周期为12年，而太阳受木星影响产生的多普勒速度则是12米/秒。

为了了解飞马座51的行星系统，天文学家们顺理成章地运用了伽利略的同代人约翰内斯·开普勒 [12]在描画我们的太阳系内的行星运动时所运用的数学措施。他们的计算结果令人大吃一惊：飞马座51b被证明属于一种新的行星等级，即我们今天所谓的“热木星”。这颗行星的质量约为木星的一半或一半多一点，而其极短的公转周期阐明它的公转轨道半径仅为地日距离的1/20。既然飞马座51是一颗类日恒星，那么飞马座51b的名义（更精确地说——其大气层高处）温度将高达超越1 200K [13]。[14]

对我们正在讲述的这个故事来说，重要的是，人们在1995年初次发现了一个太阳系外的世界。固然只是经过它产生的非直接作用才观测到它，但我们由此知道飞马座51具有一颗行星，而且这颗行星与我们想象中的任何行星都不同。多普勒摆动法让我们得以了解这颗看不见的行星的质量以及它盘绕母星运转的公转半径。此外，对其母星的观测还能通知我们这颗行星的名义温度有多高。更明白地说，我们对任何一颗给定的非太阳系行星的了解简直和太空探求开端之前我们对太阳系外缘行星的了解一样多。每颗行星都是一个世界，我们能够对它们的物理性质中止丈量，能够预算它们在多大水平上可能合适生命生存，以至曾经在探求这些太阳系外世界中的生命线索方面迈出了第一步。

截至2014年，我们曾经发现了超越1 800颗盘绕其他恒星旋转的行星，其中一些是“独生子”，另一些则是多行星系统的成员。1 800这个数字代表着已被天文学界视为“能够确认”的行星系统的数量，确认的伎俩多半都是对星球的多普勒速度信号中止丈量。另有其他数千颗行星（特别是那些我们将在第八章遇到的“开普勒号”任务 [15]中被发现的行星）则被视为待确认的“候选者”。此时心细的读者应该曾经发现本节的题目是“数以亿万计的行星？”，那么我是如何从1 800腾跃到“亿万”这个数量级的呢？我们并没有调查银河系中每一颗恒星能否具有行星，但是那些曾经被调查过的恒星中具有行星的比例相当高。天文学家们将某类恒星中具有行星者所占的比例称为f行星。事实证明，对在银河系恒星中占大多数的普通恒星（即主序星）而言，f 行星的数值介于0.1到1之间（1意味着每一颗此类恒星都具有行星）。

等等！这难免太惊人了吧？天文学家曾经习气于面对所谓的“天文数字”，也就是那些大到我们无法为之命名的数字。（好比，太阳的质量为2×1030千克，这个数字是2后面加上30个0；宇宙中物质和能量的平均密度为9×10 –27千克/立方米，9前面则有26个0。）在天文学家眼中，一个介于0.1到1之间的数字和1也没有太大区别。因而，从数量级近似的意义上说，能够说每颗恒星都具有一颗行星。 [16]

我在前文中曾经说过：无论从结构还是从成分来看，我们的太阳系都没有什么共同之处。假如你认同这一点，那么你也不会为上面这个答案感到奇特。真正令人诧异的是，当你在星夜注视银河中那3 000颗肉眼可见的恒星时，你应该想象到它们中的每一颗都可能有一个行星为伴，其中许多恒星以至可能具有自己的行星系统。这些系统中的任何一个都不会和我们的太阳系一模一样。但是，思索到我们在它们中可能发现的行星物质和物理构成的范围，它们在实质上又都是相似的。当你的想象力飞向那就我们所知构成银河系的4 000亿颗恒星时，你也应该能认识到，那里可能还有4 000亿颗左右的行星在等候发现。

那是生命，吉姆，但不是我们所知的生命[17]

外星人到底会是什么样的？我们都知道电影中的外星人通常都长得跟人类差未几。这有两个缘由：第一，这样塑造外星人的成本更低；第二，人类习气将外星人拟人化。当然，这种概括无法包含许多显著的例外状况，但是更重要的问题是：我们应该以什么为动身点来辨认外星生命？

或许有一天我们的火星车会拍到一条细小的火星蛞蝓艰难爬过某个遍布尘埃的平原的延时图像。我并没有扫除这种可能性，但是我们的搜索应当比这更精密。被我们称为“生命”的现象是一系列相互关联的化学过程，生命所需的能量还会产生各种化学副产品（只需呼一口吻，你就能明白我指的是什么）。因而，假如我们要搜索生命，就应该思索到生命过程会如何改动某个特定环境的化学构成。生命活动产生的化学痕迹被称为生物印记，而那些无法经过非生物化学过程来复制的，就是最佳或者说最明晰的生物印记。

在地球上，植物的光协作用为大气带来了丰厚的氧气，这就是一个明晰的生物印记。当远方的观测者留意到地球大气层中含有1/5的氧气时，他们也可能会比较谨慎：那或许是某种未知的非生物过程构成的现象。不外，他们还会留意到我们这颗行星与其他众多行星之间存在差别，而这种差别可能正是生命存在的证据。我们当然值得他们中止更认真的察看。这就是天文学家定义生物印记（例如此处的大气生物标记）的动身点。

因而，更理想的措施可能是首先辨认出生命的特征。但是对那些变更的始作俑者，也就是生命体自身，我们应该如何处置呢？我在前面曾经提到过：当面对如何在宇宙中搜索生命的问题时，我们应当以我们关于地球生命的学问为起点，然后肯定应该沿着什么方向将这种学问中止合理的外推。

从这个角度动身，我们首先应该对地球上最简单的生命体——单细胞的细菌和古生菌中止调查。[18]不论就哪个方面而言，这些生命体都是地球生命的主宰。细菌和古生菌构成了今天地球生命体物质量（即生物量）的最大来源，并且自这颗行星呈现生命以来就不时存在，逾越了35亿至40亿年的时间。（与之相比较，恐龙统治地球的时间只需大约1.65亿年，而我们人类才不外200万年，不外我们的统治期仍在继续。）

关键在于简化思绪。假如你工作的实验室正在建构成套设备，准备对某颗悠远的行星或卫星中止远程生命搜索，特别需求如此。你的胜利可能就在于造出一套能探测到外星生命留下的生物印记的设备。做到这一点（此时你应该曾经收获了无数科学奖项）之后，你才干开端思索下面的问题：怎样才干知道这些太空怪物长成什么容貌？由什么构成？

接触

我们能在哪里找到新的生命呢？有没有可能在取自土星卫星泰坦[19]的菌泥样本中发现生命特征？或者在对某个太阳系外行星的观测中发现大气生物标记？它会不会是一种降生于地球上的试管中的人造生命？我们会不会收到一条来自远方聪慧生命的私人音讯？以上这些可能都存在。但是关于一个资源有限的科学家来说，真正的应战在于决议应该从哪个方向展开对生命的搜索。一言以蔽之：假如你有钱资助一个太空探求计划，你会选择让它去往何方？

当我对我的学生们提出这些问题时，他们中大多数人的选择是菌泥和生物标记，有几个人选择了试管生命，只需一两个人选择耐烦等候电话铃声响起。他们的答案在很大水平上反映了他们的背景——受过良好科学教育的大学学生。提问的目的在于促使他们想象某种（在科学上站得住脚的）与重生命形态的接触情境，并思索我们在面对它们时，在个人层面和科学层面应该做出何种应对。

下面是一个更有意义的问题：我们什么时分才干发现新的生命？10年？100年？还是1 000年？答案依旧有赖于你的态度。10年或许是过于达观了。 [20]这相当于假定在我们曾经展开探求的中央有大量生命存在，并且我们曾经在那里装置了能够精确辨认生命的设备。而1 000年又难免过于达观，相当于将发现置于某个悠远的未来世代——它对我们目前的努力而言高不可攀，会让人们以为近期胜利的概率等于零。

100年这个答案就要有趣得多。它的长度以10年计，与一个人终身的长度差未几，与中止一次前往木星或土星的无人太空飞行所需的设计、建造、发射和研讨时间也差未几。此外，要建造出能探测悠远的太阳系外行星大气层的下一代大型望远镜，差未几也需求这么长时间（当前我们正在建造直径为30米的望远镜）。看上去，100年是一个比较可行的时间，只需……只需我们能做出明智的抉择，只需我们能在尝试中不时坚持勇气，只需我们有足够好的运气（我们将在本书中讲到一些关于坏运气的故事）。

亿万英里的远航

人类曾经发现有大量新世界环绕那些悠远恒星运转，并且曾经发射了许多航天探测器，让我们能够对太阳系内的地外世界中止越来越精密的科学调查。因而，对地外生命的搜索目前正处于一场反动的前夕。这场反动与将望远镜引入天文学的那场反动相比也毫不逊色。我们的学问正在以惊人的速度增长，但是，由于我们至今仍未有任何牢靠的生命探测结果，这些学问依旧谈不上完备。

本书的目的在于促使当代天体生物学界将肉体集中在5种相对牢靠的外星生命发现可能性上。我曾经听到你在提问了：为什么是5种？或许主要是由于“相对牢靠”并不等于“很有可能”。假如我试图宣称在某一个方向、某一颗行星或卫星上有发现地外生命的最大可能，那么我一定是在信口开河，而不是尊重科学。反过来，假如我向你列出关于寻觅外星人的一切想法，那又等于忽视我们只能支持和追求有限几种科学努力的理想。因而，将肉体集中在5种发现外星生命的可能性上，我们就有希望在上述两个极端之间取得某种均衡。

一个事实是，我们以至曾经能够对宇宙中某个特定地点可能呈现的生命体形态中止推测。这足以证明天体生物学在过去20年中取得了多么大的停顿。但是，这样的推测能否站得住脚呢？抑或只是科学家的一缕遥想？要回答这些问题，就应当思索到任何新的科学实验都需求某种水平的猜测：假如你曾经精确知道会得到什么样的结果，那做实验还有何必要呢？ [21]一个正在计划大型宇宙探求项目的科学家团队也做出了他们的推测，而本书的推测与他们的推测基天职歧。

这个团队曾于2012年8月将美国国度航空航天局（NASA）的“猎奇号”（Curiosity）漫游车送上火星着陆。他们并不完整分明“猎奇号”将会有什么发现。此前的火星任务曾经发现了大量间接证据，表明火星名义地质状况可能遭到液态水作用影响。“猎奇号”在飞往火星时搭载了一整套设备，以我们当时所积聚的全部火星学问为基础，这些设备能够让我们得到新的发现。那些尚未列入日程的未来的火星任务还会在火星上某些特定区域对特定的生物体留下的痕迹展开搜索。假如探测任务由机器执行，那么技术团队就不得错误火星上可能发现的生命形态做出推测，并设计出可能将它们辨认出来的实验。假如他们的推测合理，而火星上的确存在生命，他们的任务就有相当大的机遇取得胜利。但是假如他们的推论呈现了差错，或者火星上基本不存在生命，或者他们的运气不够好，那么失望就会不可避免。

因而，我们为自己设定了一个前提：要为至少5种搜索外星生命的假定情境积聚足够的科学数据，以及就我们可能发现什么样的生命做出尽可能牢靠的推测。当然仍存在庞大的不肯定性，但也有一部分应战的刺激。我们能够自由地做出选择——无论它是好是坏，牢靠还是不牢靠——而这些抉择可能令我们取得胜利，也可能将我们引向失败。作为终了语，没有比朱塞佩·科科尼 [22]和菲利普·莫里森[23]在1959年为寻觅外星聪慧生命而应战科学界时所说的话更有力的句子了：胜利的可能性难以预算，但假如我们不去寻觅，胜利的概率就是零 。

[1] 假如某位未来的外星人正在阅读本书，请原谅我的后知后觉。

[2] 从旧世界到新世界（New Worlds for Old），系英国著名科幻小说家赫伯特·乔治·威尔斯（H. G. Wells，1866—1946）一本引见社会主义的著作的题目。

[3] 即水星、金星、火星、木星和土星。

[4] 《世界之战》（The War of the Worlds），威尔斯于1898年出版的一部科幻小说，描写了19世纪末期火星人从行将消亡的火星来到地球，并与人类发作战争的故事。

[5] 珀西瓦尔·洛厄尔（Percival Lowell，1855—1916），美国天文学家、商人、作家与数学家。他曾将火星上的条纹描画为运河，并在美国亚利桑那州的弗拉格斯塔夫树立了洛厄尔天文台。

[6] 这些方便包含容易取得的建筑资料、丰厚的学术生活和社会生活，当然还有温馨的住宿条件。

[7] 斯基亚帕雷利运用了一台8.6英寸（1英寸约等于2.54厘米）口径的望远镜。洛厄尔则有12英寸和16英寸口径的望远镜各一台可用。

[8] 塔尔西斯高原（Tarsis plateau），火星上的一个高9千米、宽3 000千米的火山高原，位于火星赤道左近。

[9] 信心的一跃（Leap of faith），指依托强大的信心做出缺乏依据的判别。

[10] 但是，对迈克尔·布朗（加州理工学院行星科学家，阋神星的发现者之一。阋神星的发现招致冥王星被降级为矮行星。——译者注）和国际天文学分离会来说显然并非如此。无妨一读布朗的著作《我是如何杀死冥王星的，以及它为何命该如此》（How I Killed Pluto and Why It Had It Coming）。这是一部关于一颗行星走向衰亡的精彩历史。

[11] 原文此处及其他多处作51 Pegasi a或51 Peg a，即飞马座51a，但也有写作51 Pegasi或51 Peg的状况。为避免惹起误解，本书中将飞马座51b的母星按更通用的称号统一译作飞马座51。

[12] 约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler，1571—1630），德国天文学家、数学家，关于行星运动的开普勒定律的发现者。

[13] K，即开尔文（Kelvin）。开尔文是热力学温标的温度计量单位，符号为K，得名自爱尔兰工程师和物理学家威廉·汤姆森（第一代开尔文男爵，1824—1907）。热力学温标以绝对零度（–273.15摄氏度）为零点。温度每变更1摄氏度，就相当于变更1开尔文。本书后文中的“开尔文”均简译作K。

[14] 啊哈，这是一个新的计量单位！任何物体能抵达的最低温度为零下273摄氏度。在这一温度下，物体没有任何热能。人们将它定义为0开尔文。由于开氏温标和摄氏温标的每一度是一样的，因而0摄氏度就等于273开尔文。

[15] “开普勒号”任务（Kepler space mission），美国国度航空航天局（NASA）用以发现太阳系外类地行星的太空望远镜，于2009年3月6日发射升空。

[16] 或许你会对此感到疑惑。是这样的：0.1与1相差一个数量级，或者说相差10倍。以1×10–10这个数字为例，它与1相差10个数量级。跟数字1比起来，这才是真正的小数字。

[17] 这句话出自The Firm乐队的歌曲《星际迷航》（Star Trekkin’）。这首歌是对电视剧《星际迷航》（Star Trek）的戏仿。歌词中的这句话模仿了《星际迷航》中斯波克（Mr. Spock）对柯克船长（Captain James Kirk）说话的口吻。

[18] 在现代关于生命树的三界分类法中，细菌和古生菌是两个不同的分支。它们都是单细胞的原核生物（细胞中短少明晰的细胞核）。第三个分支是真核生物，包含一切具有有核细胞的单细胞生物和多细胞生物。你就是一个真核生物。固然与传统的基于外形（例如脊椎、眼睛、对生拇指）的分类法比起来，这种对生命的三界分类可能没有那么直观，但在基于生物化学过程的生命系统分类法中，它是最简单也最有效的。

[19] 泰坦（Titan），即土卫六，土星最大和太阳系第二大的卫星，在1655年为惠更斯所发现。

[20] 你若不置信，无妨来证明我是错的。

[21] 好比说，固然你完整能够每天醒来都往地上扔一个苹果以考证万有引力定律，但更合理的做法是置信万有引力定律依然没有失效。

[22] 朱塞佩·科科尼（Giuseppe Cocconi，1914—2008），意大利粒子物理学家。他和美国物理学家菲利普·莫里森于1959年共同提出了经过无线电天线搜索地外聪慧生命的概念。

[23] 菲利普·莫里森（Philip Morrison，1915—2005），美国物理学家，曾在“二战”中参与曼哈顿计划。

第二章

宇宙合适生命存在吗？

浩瀚宇宙的各种特征为我们提供了最“大”的方便，让我们据此来构思关于宇宙生命的问题。宇宙的年龄和尺度会在何种意义上影响我们对生命的寻觅？地球生命所必须的组成物质从何而来？能否来自宇宙中别的中央？生命最早来源于宇宙历史的哪一时期？假如我们的太阳系构成时间提早很多，地球能否还能呈现？生命能否还能呈现？还有，我们到底能在宇宙的什么中央找到生命？是在太阳系左近，在银河系内部，还是在整个宇宙中？

夜空黑暗，却遍布星斗

宇宙有多大？它是不时就在那里，还是只存在了有限的、较短的一段时间？答案需求在我们头顶的天空中去寻觅。你能否曾抬头仰视夜空，却并不为眼中那些恒星和星系感到太多诧异，反而猎奇为何它们之间会有黑色的天空？为何夜空是黑色的，这个问题通常被称为奥伯斯佯谬[1]。假如我们把这个悖论拆开来，再依据现代宇宙学提供的指南将它重新组合，我们就能从中了解到一些关于宇宙的深化事实。简单说来，宇宙在空间上可能并不存在物理边疆。它可能是无限的。不外，宇宙的确来源于某个特定的时间，因而它的年龄是有限的。再思索到光以固定速度传播，那么宇宙年龄有限这个事实就意味着：我们在任何时辰都只能看到宇宙有限的一部分，即其发出的光线曾经抵达我们这里的那一部分宇宙。我们将这个边疆称为宇宙视界，它界定了可观测宇宙，将之与视界之外无法被我们看到的那部分宇宙区别开来。

至此，你完整有理由请求我少一些深奥的思想腾跃，给出更多解释。那么，为何黑色的夜空会将我们引向一个有肯定年龄的可观测宇宙的观念？海因里希·奥伯斯和他的同侪想象了一个空间无限大的宇宙，恒星在这个宇宙的任何部分都平均地散布着。无论你往哪个方向看，也就是望向天空的任何位置，你的眼光都会落在一颗恒星上。这些恒星有远有近，但假如宇宙的年龄也是无限大的话，我们势必会看到一切的恒星。

远一些的恒星难道不会黯淡一些吗？没错，这是一个很好的问题。为了回答它，我必须讲到天文学家们对“物体距离我们越远就会越黯淡”这一问题的解释。一种措施是用其名义亮度（即亮度除以视尺寸）来描画恒星。我们假定这些恒星与太阳的名义亮度相等。太阳在我们眼中的视直径大约为0.5度。[2]用名义亮度乘以视尺寸就能够得到太阳真正的总亮度。假如我们将太阳向远处移动，它的名义亮度不会改动，改动的是它的视尺寸。物体距离我们越远，就会显得越小。一颗极远的恒星与较近的恒星具有相同的名义亮度，只是看起来小得多，因而也就黯淡得多。但是，假如无论我们的视野投向何处最终都会落在一颗恒星上，而每颗恒星都具有相同的名义亮度，那会发作什么？在这种状况下，悠远恒星较小的视尺寸就不再是问题了，只需某个方向上代表恒星圆面的小圆圈彼此发作堆叠，这个方向上天空的名义亮度就会与一颗单独恒星的名义亮度相等。这样一来，天空在我们眼中就会是一颗庞大的恒星。

但是真实的天空并非如此，不是吗？因而我们一定是在什么中央出了错。假如我们回溯上面的步骤，能做出什么样的改动呢？我们能够在空间上加上边疆，让宇宙变得有限。我们能够让星星只坐落在宇宙中的某些部分，而不是一切区域。（我们还能够设定悠远的恒星的名义亮度更低，等等，不外我想意义曾经足够明白了。）我们还能让宇宙在时间上变得有限，这样一来，向我们射来的光线的传播时间就是有限的，因而我们无法看到整个宇宙。奥伯斯所在的19世纪的天文学无法给出一个肯定的答案。我们需求一种新的宇宙观。

星云的范畴

1929年，埃德温·哈勃[3]发表了一系列观测结果。这些数据显现宇宙似乎正在各个方向上以相同的速度发作收缩，远离我们。实践上我们似乎正处于一次星系大爆炸的中心。哈勃留意到，他在星系样本当选择的参考恒星的亮度与他从各星系分散光谱图像中测得的视向速度[4]变更有关，或者说具有相关性。由于亮度与距离有关，而远离速度会构成光波谱线向红色端移动，因而我们将哈勃的发现称为距离–红移关系。但是我们的位置到底有什么特别之处，致使于宇宙的其他部分都远离我们呢？现代宇宙学的故事总是能够激起人的想象，由于理论学家和观测者所提供的一些线索以涣散的方式交错在一同。在这种状况下，两名欧洲宇宙学家的研讨简直没有惹起哈勃的留意，却有效地将爱因斯坦的广义相对论转换成了一种能够用来描画宇宙自身的言语。[5]

由于具有弹道数学方面的学问，亚历山大·弗里德曼[6]在第一次世界大战期间曾作为一名炮兵察看员学致使用。他在1922年证明：宇宙在爱因斯坦理论描画下应该是一个动态的整体，随着时间的流逝，其物理尺寸要么增大，要么减少。事实上，让宇宙坚持静态在数学上更难做到。1927年，乔治·勒梅特 [7]解释了如何从弗里德曼的收缩宇宙研讨自然地推导出距离与红移之间的联络。两年后，这种联络为哈勃所证明。

勒梅特的解释中的奇妙之处在于：收缩发作于宇宙的整体结构上，即我们所谓的时空上，而星系则载于其中，顺势而行。某个星系中的观测者会看到其他一切星系都远离他而去，而另一个星系中的观测者也会看到完整相同的效应。宇宙收缩令人迷惑的结果在于每个星系似乎都是整个收缩过程的中心。此外勒梅特还认识到：假如我们在数学上倒拨时钟，遍布宇宙的星系就会相互靠拢，并在过去的某个时辰聚在一同。在他的数学模型中，这个时辰就是我们所以为的宇宙的起点。这个起点在后来将被称为“大爆炸”，大爆炸与今天之间的时间就是宇宙的年龄。

哈勃以如下方式对距离–红移关系中止了描画：星系远离速度=H×观测者与星系之间的距离。在当前的宇宙中，H的值就是天文学家们所说的哈勃常数。应用哈勃的方程，我们能够提出一个有趣的问题：假定一个星系的远离速度在宇宙历史中并未发作显著的变更，我们需求将时钟回拨多少，才干让一切星系汇集成最初的团块？实践上，时间就等于距离除以速度。因而假如你用哈勃方程将两者联络起来，就会发现所需的时间为1/H。目前哈勃常数的值约为70千米/秒/百万秒差距（这个单位并没有看上去那么难以了解，它的意义是假如某个星系与我们之间的距离为1个百万秒差距[8]——即326万光年——它看上去就会以70千米/秒的速度远离我们）。此外，假如我们再思索到在宇宙历史中星系的收缩速度实践上发作过细微的变更，就能经过这个哈勃常数的值知道目前宇宙的年龄为138亿年。

原来，宇宙的年龄不止6 000年？没错，当然不止。值得留意的是，弗里德曼、勒梅特和哈勃的研讨在20世纪30年代被分离起来，标记着人类第一次对宇宙年龄的科学测定。由于丈量不够精确，当时得到的宇宙年龄约为10亿年，而不是我们往常认可的这个数值。当天文学界取得的数据、对地球岩石中止的第一次放射性年代丈量，还有新兴的核物理学对恒星寿命的计算结果三者分离起来之后，呈往常人们眼前的是一幅惊人的图景：地球、恒星和整个宇宙都比我们从前所能想象的要古老得多——不是几千年，也不是几百万年，而是比这还要古老千万倍。

先不提科学为我们的集体认识带来的这次庞大震动，让我们来看对奥伯斯佯谬的回答：宇宙开端于某个肯定的时间点。我们今天能观测到的最悠远的光线在抵达地球之前曾经旅游了138亿年，这就是所谓可观测宇宙的范围。那么可观测宇宙之外又是什么呢？或许还有很多东西。宇宙可能的确是无限的，只是我们暂时还不知道，那里发出的光还没有抵达我们这里。随着时间的流逝，可观测宇宙也会变得越来越大。不外，时间只能一年一年地过，希望你能喜欢宇宙往常的样子，由于离它改动容貌还早得很呢。 [9]

时钟嘀嗒作响

那么，这138亿年来，宇宙中都发作了些什么呢？在这个宇宙尺度的庞大时间范围内，生命位于哪一个刻度上？在各种对宇宙历史的思索中，最巧妙也最容易了解的措施之一就是将整个宇宙时间紧缩为一年，然后在这一年的日历中寻觅各种事情的发作时间。这样一来，大爆炸就发作在1月1日这一开端。而你读到这本书的时分，12月31日行将终了。在过去的这一年中，你能找到哪些严重事情呢？

在其最初的时辰，宇宙以纯能量的形态发作收缩。随后粒子物理学开端主宰一切，各种基本粒子挣脱约束，好像一群从动物园中取得自由的动物，在整个宇宙内四散奔逃。[10]组成你我的那些物质开端呈现，不外刚开端还只是相对论的粥锅中的一些基本粒子。随着宇宙继续收缩，粥锅开端冷却，原子物质（这是今天的我们比较熟习的一个名词）在大爆炸的余烬中开端构成：有氢，有氦，还有一点点的锂以及它们的同位素。然后，这些原子物质凝聚起来，构成宇宙中的第一种结构——迟缓冷却的气体云。

第一批恒星构成于1月第一个星期的末尾，也就是大爆炸之后几百万年左右。尔后不久，第一批星系也呈现了。不外，要等到3月，也就是100亿年前，银河系才大致成型。8月（50亿年前）是我们的侥幸月，由于太阳降生于这一时间，而且它降生之后不久，太阳系的各大行星也构成了。到了9月，也就是地球构成之后几亿年，它上面呈现了第一种脆弱且微小的生命，即简单的单细胞生物。

直到11月，即20亿年之后，生命才超越了它最初的简单阶段，走上了通往更复杂的多细胞形态的道路。在12月到来之际，地球上最高级的生命基本上还是一团黏液。尔后却发作了一个有趣的变更，出于某些我们今天只能猜测的缘由，地球的状况乃至生命自身抵达了一个临界点，爆炸式的进化活动发明出大量复杂的生命形态，这次事情发作于12月15日，即约5.4亿年前。由于它在地质学年代上所处的位置，我们称之为寒武纪大爆发。

此时的生命还处在进化阶梯的最下面几级上。恐龙呈现于圣诞节前夜，我们的第一批哺乳动物祖先则呈现于圣诞节当天。恐龙可能在圣诞节期间玩得太过火，在12月29日这天（也就是6 500万年前）由于一次小行星撞击而灭绝。这次事情至少带来了一个结果：它对生物进化的游乐场中止了一次大扫除，让一些毫不起眼的哺乳动物得以进化，进入那些刚刚被清空的梯级。直到新年前一天，才有一群哺乳动物打起肉体，开端思索未来的问题——这一点倒是与我们现代人颇为相似。大约在当天上午10点15分，第一批猿类呈现了，但是它们在进化的努力中磕磕绊绊了整整11个小时（也就是1 700万年），直到晚上9点24分才学会直立行走。15秒钟前，我们才学会了书写，不外那之后仅仅5秒就建起了金字塔，表示不错。最后，好像在喘息中冲向终点线的马拉松选手一样，克里斯托弗·哥伦布（Christopher Columbus）在距离新年还有1秒钟时才抵达美洲。往常能够喘口吻了，你曾经跑过了漫长的路途。

假如我们将宇宙历史按次第重放一遍，生命会呈现得更早一些吗？地球上的生物能否能比往常表示得更好？或者，由于突破了某种不利于复杂生命的普遍趋向，我们曾经算得上是劣等生？假如我们将宇宙中的条件稍加变动，又会发作什么？[11]生命能否会沿着不同的道路进化？以至，我们能否有必要将留意力集中在复杂生命上？难道简单生命（即便与地球上的不同）不够有趣吗？这些问题的答案取决于你打算怎样看待它们，是为了在谈论电影时有些谈资，还是为了了解生命过程。要了解在何种条件下宇宙中才会呈现或不会呈现生命，我们首先需求调查生命体的构成成分，以及这些成分从何而来。

我们都是恒星物质

元素周期表可谓一件艺术品，同时也是有史以来最为胜利的科学图表。[12]它对每一种已知的化学元素都做出了描画，并以惊人的明晰度提示了每个原子内部躲藏结构呈现出的规律。这张表格中的每种元素都以其原子量（实践上就是其中所含质子的数目）描画，构成一个序列。氢原子只需一个质子，氦原子有两个质子（且正好也有两个中子），锂原子有三个质子，诸如此类。它使得我们能够对自然界的一些基本问题做出解答（这些问题是如此基础，你可能基本没有想到过）：能否存在一种比氢还要轻的元素？在氢和氦之间能否存在一种未知元素？这两个问题的答案都是承认的，由于你无法用半个质子来构成一个原子核，元素周期表中也没有空格。我们曾经了解了自然界中从氢到铀（铀原子有92个质子）的每一种元素，以至还知道比铀还要重的元素序列，即所谓超铀元素。超铀元素具有放射性，并不稳定，因而寿命不长，只在核实验室中被制造和研讨。

这些元素都来自何处呢？难道地球有什么得天独厚的优势，因而集齐了全部？让我们回到起点去看一看，假如你从大爆炸那一刻开端数数，那么在你数到200左右的时分，可观测宇宙的直径约为1光年。一切被我们以为是“普通”物质的东西，即质子、中子和电子，此时都还处于等离子态，温度高达数百万摄氏度。此时，原初核合成时期（这是一个短暂的核合成早期阶段，不外在整个年轻的宇宙中四处都发作着）刚刚终了。从你我的角度来看，这段时间宇宙的物质消费效率并不算太高，遍布宇宙的氢元素中约有25%聚变为氦。这些氦元素中的少部分 [13]进一步聚变为锂，然后就到此为止了，从宇宙降生的最初几分钟到大约6亿年后之间，没有任何新元素呈现。

在猛烈却有限的活动之后，有这么长的一段休整期似乎有些说不外去，但是这段间隙的呈现却并非没有理由。只需在温度和密度极高的状态下，核聚变才会发作。[14]在宇宙早期，这样的条件持续了几分钟，而它的下一次呈现就要到第一批恒星构成的时分了。第一代恒星中心位置的温度和密度条件再一次点燃了核聚变之火。

实质上，恒星能够被视为一个个核燃料压力锅。在恒星中，各种元素纷繁聚合，犹如一场核暴乱。聚变产生出的原子核越来越重，直至铁元素（每个铁原子具有26个质子）的降生。核物理学的性质规则：两个轻于铁的原子核发作聚变时，爆发出的能量通常比抵达聚变温度所需的能量要多一些，这部分能量让等离子体坚持高温，使更多的聚变得以发作。但是，关于铁元素之后的各种元素，每次聚变都会耗费一些能量，让这场聚变盛宴的温度降低。最终的结果就是：恒星，特别是庞大的恒星，在发明铁元素及它之前各种元素时效率较高，而在发明铁之后的元素时却并非如此。

在元素周期表中，铁元素的位置还在前1/3内。我们怎样才干将这份表格填满呢？在一颗恒星生命的止境，来自其外层结构的庞大压力曾经缺乏以催生其中心部分的聚变，这将引发一场灾难。那些质量较小（太阳质量的数倍）的恒星的归宿是成为白矮星，也就是从前火热的恒星中心留下的一块恒星余烬。聚变之火曾经熄灭，而这个滚烫的炭块将会慢慢冷却（真的相当慢），黯淡下去。

质量更高的恒星面临的命运则完整不同。白矮星不会在自身引力作用下坍缩，依照量子不相容原理[15]的解释，这颗死亡恒星中的电子不能被挤压得过于紧密。这种作用被我们称为电子简并压力。但是，关于更大的恒星而言，电子简并压力无法抵消庞大引力产生的压力。恒星的死亡中心将会坍缩成一颗中子星，其直径只需十几千米，由中子简并压力而非电子简并压力支撑。[16]与之对比，太阳的半径约为70万千米，大约是一颗中子星半径的10万倍。在恒星死亡的过程中，恒星外层结构在引力的作用下坍入中子星，由此构成的物质密度和温度会引发最后的、吞噬一切的聚变，带来一次庞大的核爆炸。这次爆炸会制造出元素周期表上直到铀（乃至铀之后）的各种元素，并将它们暴烈地抛入太空。这就是一次超新星爆发。

固然看似让人难以置信，但在宇宙的生命故事中，超新星爆发表演了重要的角色：它们完成了元素周期表上各种原子核的制造工作，并且发挥了传播作用，让它们周围的空间充溢各种各样的新元素。往常你周围氢和氦之外的各种元素，以及在生命过程中发挥作用的一切元素——好比经过血液流遍全身的血红蛋白中的铁，还有叶绿素分子中心的镁——最初都来自某颗恒星的中心，都来自一次超新星爆发。

我们在宇宙中的位置

往常我们知道宇宙曾经138亿岁了。它十分庞大，很可能在空间上也是无限的，而恒星和超新星发明出的大量元素则散布于整个空间。我往常打算调查的是地球、太阳以及整个太阳系在这宽广的宇宙地图中处于什么位置，它们是如何构成的，是出于极端的巧合，还是仅仅是一个普通事情。

第一批恒星和超新星呈现之后不久，也就是大爆炸之后几亿年，我们就分开了宇宙收缩这条故事线。似乎是为了与宇宙的收缩构成对照，物质开端在引力的作用下汇集起来。气体云发作坍缩，相互碰撞，在旋转中构成各个星系的早期祖先。这些星系被其内部的新一代恒星点亮，成为我们今天看到的雄伟的恒星汇集地。星系之间的空间十分广袤，因而大型星系只需极小的概率发作碰撞并惹起庞大的宇宙级车祸。在它们寿命中的大部分时间里，这些星系都彼此隔绝，独处一隅。在每一个这样的星际城市内部，一代又一代恒星从气体云和尘埃云中降生，每一颗都因核聚变解放出来的能量而闪烁，每一次核反响都填满各自元素周期表上的一个空格。巨型恒星的最终归宿是爆炸。在爆炸中，重元素被抛散进来，又迟缓地汇集成后代恒星。

我们的太阳就降生于一次较晚的恒星创生过程中。即便阅历了好几代的恒星核合成过程，那片最终坍缩成太阳的气体云所富集的重元素[17]也不外只占整个气团质量的2%。你有理由提出疑问：为什么重元素比例这么低？为什么不是10%、50%乃至更多？答案是：一颗恒星中的大部分物质永远没有机遇参与核聚变。恒星外层（即其中心之外的部分）的作用仅在于提供重量。恒星核遭到这些物质重量的挤压，才干发明出核聚变所需的温度和密度条件。一旦恒星核中那些轻元素燃料耗费殆尽，恒星就会发作演化，要么成为白矮星，要么变成超新星，而它的其他部分则会被抛入太空。

因而，我们的太阳及整个太阳系的前身就是一团迟缓翻腾的浓缩气体云。云团在冷却过程中会向其自身坍缩，旋转速度不时加快，逐步呈现为扁平的盘状。位于这个圆盘中心的气体不时堆积，直到其中心温度和密度触发聚变。我们的太阳就此降生。聚变释放出的光会照亮这个圆盘的气态外缘，并将大量物质吹散。留下的重元素尘埃则开端汇集成微粒。这个过程一开端相当迟缓。微粒携带的微量静电荷会吸收更多的微粒，进而汇集成团。在引力作用下，这些微粒团不时变大，成为岩石。在这场雄伟而紊乱的碰碰车游戏中，它们相互碰撞，相互摧毁，有时也彼此粘连。

游戏的胜出者继续变大，成为今天为我们所熟习的各个行星。每一颗长大中的行星都会吞噬它运转轨道上的物质，好像某种凶猛的宇宙掠食者。处于外围的行星能够捕获到太阳系冰冷边沿的大量冷却气体，因而容易变得更大，构成了我们今天所知的几个气态巨行星——木星、土星、天王星和海王星。由于年轻的太阳释放出的热量，太阳系内部地带的不稳定元素被驱赶一空，只需几颗岩石行星得以保存，即水星、金星、地球和火星。其他的不外是一堆碎片，即火星和木星之间的小行星带以及海王星之外的柯伊伯带[18]。[19]

这样的故事能否只在我们的太阳系演出呢？假如思索到细节的话，的确如此。这种行星排列或许是无独有偶的，只出往常我们的太阳系。但是从普遍的意义上来说，答案则是承认的，由于我们在许多年轻恒星周围都观测到了旋转的气体和尘埃云。其中一些呈碟形，还有一些以至显现出团块密布的公转轨道，看上去正像是行星的长大地。因而，我们以为行星与其系统内的年轻恒星一样，都降生于富集重元素的气体。天文学家将这些重元素统称为“金属”。岩石行星以及气态巨行星的内核都由这些金属构成。它们相似房屋修建的原资料，数量越多，或许就能生成更多的行星或行星种类。不外关于这一点我们还无法肯定。我们只知道既然构成行星需求金属，那么多一点金属总比少一点好。除此之外，关于行星构成的细节，我们的学问少得不幸。

地球能否有可能在宇宙历史中呈现得更早一些呢？随着每一代恒星的消亡，星际气团中的金属富集水平都会增加一些。我们不知道行星的构成能否需求一个特定的金属量阈值。普通说来，在宇宙历史中越是靠前，金属含量越低，因而或许更难搜集足以构成行星的资料。但是，部分地域的巨型恒星群会很快发作爆炸，向左近空间抛撒出重元素残渣。所以此时我们只能以为：行星系统的构成在宇宙历史的更早阶段可能愈加艰难，但却无法完整扫除这种可能性（科学家们经常避免正面作答，这有时真让人恼火）。不外我们能够肯定的是：有恒星的中央就会呈现化学物质的增加。这些物质还远不是直接构成生命体的资料，却是复杂化学反响的原资料，并且含量丰厚，遍布于银河系乃至当今宇宙中的每个星系。

银河系之外

从太阳系到最近的恒星系统半人马座阿尔法（Alpha Centauri）的距离为4.3光年，到银河系中心的距离为26 000光年，而离我们最近的河外星系是仙女座（Andromeda），距离地球250万光年。假如你今夜走出家门，仰视星空中的仙女星系——它看上去只是一个黯淡的小雀斑——你看到的星光来自250万年前。这些光线从仙女星系动身时，早期人类祖先还在学习如何制造石器。仙女星系和银河系共同组成一个群落，被称为“本星系群”。在本星系群之外，大型星系之间的常见距离是1 500万光年。

星系间的距离之大令人难以想象。即便有朝一日我们能够向最临近的恒星发射出第一个空间探测器，前往最近河外星系的可能性依旧只能存在于科幻小说中。此外，我们将在接下来的章节中讲到的许多种观测伎俩——好比经过行星构成的多普勒效应迹象或重复性的行星凌日[20]等线索来寻觅它们——在如此庞大的距离上都会失效。我们将会了解到人类的“搜索地外聪慧生命”（SETI[21]），也会了解到人们对星际对话的盼望。但是，和在银河系内部中止光速旅游所需的时间相比，1 500万年太过漫长，长到难以希望另一头会有人拿起电话回答我们。

当下，我们在宇宙中寻觅生命时需求认识到这样一个理想：假如将太阳系比作我们所住的街道，将银河系比作我们的城市，我们对生命的搜索仅限于向家门外的大街送出探测器，以及对位于近郊的星际街区中止远程察看。其他星系真的太过悠远，高不可攀。

没有止境的宇宙

我希望此时你曾经了解了我在第一章中做出的评论：在一个无限大的宇宙中，包含生命在内的一切事情都不只是可能的，而且是肯定会发作的。每个星系都包含着数以千亿计的恒星，每颗恒星可能都有一个行星系统。在银河系之外，可观测宇宙中的星系数量可能同样数以千亿计。仅以此计，可能存在的行星数量便可抵达10 22这个数量级。但是在我们的宇宙视界之外的宇宙还可能是无限的，这就让可能的生命栖居地的数量从仅仅是“许多”飞跃到了严厉的“无限多”。不外请不要遗忘：这样的数字头脑风暴并不能让我们更接近于发现地外生命。所以，让我们从太阳系开端吧。

[1] 奥伯斯佯谬（Olbers paradox），由德国天文学家海因里希·奥伯斯（Heinrich Wilhelm Matthias Olbers，1758—1840）于1823年提出。佯谬指出：若宇宙是稳恒态的和无限的，则夜空应该是明亮的而不是黑暗的。

[2] 把你的胳膊向前伸出，眼睛盯着小指头。此刻小指头掩盖的角度大约为1度。以地球为察看点的话，太阳（以及满月——用眼睛直视月亮究竟要保险得多）在天空中占领的角度大约为你的小指头的一半。

[3] 埃德温·哈勃（Edwin Hubble，1889—1953），美国天文学家。他证明了银河系外其他星系的存在，发现了大多数星系都存在红移现象，树立了哈勃定律，被视为星系天文学和观测宇宙学的开辟者。

[4] 视向速度（Apparent velocity），即被测物体在视野方向上的速度。

[5] 我不打算在此逐一罗列爱因斯坦的众多雄伟著作。只需一句话就够了：爱因斯坦发表于1915年的广义相对论，从物质、能量以及时空几何之间相互关系的角度对引力做出了解释。

[6] 亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann，1888—1925），苏联数学家、气候学家、宇宙学家。

[7] 乔治·勒梅特（Georges Lematre，1894—1966），比利时天主教神父、宇宙学家。

[8] 秒差距（Parsec），树立在恒星视差基础上的天文学长度单位，1个秒差距指一个日地距离，即1秒差距= 3.261 6光年。文中1个百万秒差距即约326万光年。

[9] 这个说法在你的终身中都会是正确的，不外对更久远的未来而言呢？目前的观测显现，宇宙的收缩速度在不时增大。假如这种状况得到证明，那么宇宙视界的扩张将会变慢，并最终在一个极大而且肯定的值上停滞下来。宇宙中每个不受银河系引力约束的星系终将超出这个肯定的边疆。假定装点此时天幕的星斗在那时都曾经成为黑暗的恒星残骸（好比黑洞，还有冰冷的中子星或白矮星），夜空将会是一片无可救药的幽暗和孤寂。

[10] 此处我采用的是对早期宇宙历史的一个定性描画。

[11] 假如灭绝恐龙的那颗小行星没有与地球相撞，会发作什么？这个假定既庞大又有趣，不外我并不打算在这里讨论。

[12] 普里莫·莱维（Primo Levi）有一本精彩的书也叫“元素周期表”这个名字。

[13] 在此表示每1 000万个粒子中有1个。

[14] 严厉地说，要将两个粒子发作聚变，只需求高温就够了。但是假如仅有高温而没有高密度的粒子，就不会有多少聚变反响发作。

[15] 量子不相容原理（quantum exclusion principle），通称泡利不相容原理，由奥天时物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli，1900—1958）于1925年提出。该原理规则两个费米子（电子是费米子之一）在同一个量子系统中无法占领同一量子态。

[16] 恒星质量超越某个界线之后，就连中子简并压力也不够用了。我们置信：在这个恒星质量界线之外，构成的将是黑洞而不是中子星，而恒星的剩余部分仍会发作超新星爆发。

[17] 指比氦重的元素。

[18] 柯伊伯带（Kuiper belt），指太阳系中海王星轨道外侧黄道面左近天体密集的圆盘状区域，相似小行星带，但相对大得多。

[19] 没错，说的就是冥王星。（冥王星往常仅是柯伊伯带中的一颗矮行星。——译者注）

[20] 凌日，原指行星从太阳前方擦过，本书为方便了解，引申为行星从其母星前方擦过，并构成母星亮度变更的现象。

[21] SETI，“搜索地外聪慧生命”（search for extraterrestrial intelligence）的缩写，是对一切努力于地外文化搜索的团体统称。

第三章

生命究竟是什么？

生命究竟是什么？地球生命又是怎样回事？就往常而言，这两个问题是无法分开回答的。我们所知的独终身命就是地球生命，它定义了我们关于生命的全部学问，最最少它们都经得起考证和察看。只需经过发现新的生命（要么在地球上的实验室里把它们发明出来，要么在地球之外找到它们），我们才干对生命的实质有更深化的了解。目前，有一条基本准绳大约能够肯定：地球生命的呈现和演化与地球自身相应的构成和演化过程紧密相关。从其早期年代开端，地球物理条件的变更就不时影响着生命的性质，反之亦然。

因而我们在这一章中要谈的事就很明白了：人们能否能在生命的定义上取得分歧？生命到底是怎样回事？化学过程从哪个时辰开端变成了生物过程？早期的地球环境如何招致了生命的呈现？关于地球生命的展开过程，我们能从化石记载和采自古岩的地球化学证据中了解到什么？最后，生命的演化是如何改动地球环境的？地球又是如何维持和调理地球上的生命的？

但是，从更宽广的视角动身，作为天体生物学家的我们还不得不提出下面的问题：上述问题在何种水平上有助于我们搜索地外生命？哪些基本准绳将被证明是有价值的？生命的呈现是早期地球物理环境展开的自然结果吗？假如是，我们能否有理由希冀一切与早期地球条件大致相同（好比具有温和的大气层，具有固态名义且名义部分地域掩盖着富含有机物的液体）的行星都会呈现生命？一旦条件肯定，又是哪些条件在决议生命的持续？哪些行星只能短暂地成为生命的居所？又有哪些行星能为生命提供长期的稳定？

假如我请你看着镜子里的自己，并做出描画，你会如何回答？你能否会将自己描画为一个生物，与地球上能找到的一切生物具有某些共同的基本特征？你能够尝试一下以下面这种方式对自身展开思索：你身体的生物化学过程以细胞的方式组织起来；你是繁衍与进化的产物，在自己的生命过程中不时长大；你每天都中止着活动的新陈代谢，将（食物等）燃料转化成为身体提供动力的能量，并将身体功用坚持在明白的运转范围之内。或许我的描画无法掌握你的个人特征，但假如你要在更普遍的意义上定义生命，大约就不得不采用相似的描画。

关于“生命是什么”这样一个简单的问题，以上回答难免过于冗长。这反映出一个事实：生命是一种现象，而非一种简单的物理量。我能够用身高6英尺3英寸（约1.9米）、体重（此处数据已从印刷版中删去[1]）磅来描画自己，却不能称自己具有1.73单位的生命。固然不同生物的细胞具有不同的复杂水平和生动水平，不外将自己描画为约10万亿个细胞的组合体应该是一个有趣的角度。我想你大约明白我的意义了：生命是一系列相关的现象，无法简单度量。

假如我们有自信心，以为自己是对宇宙的一个有价值的弥补，那么以上讨论都十分有用。但是这些讨论能否让我们距离天体生物学的主要目的之一——判别生命的存在更近一些呢？或许你会以为没错，上面这些观念都很有用。假定我们发现一个样本以有序结构组织起来，展示出完成能量正循环的化学证据，还具有一种既能对其结构的化学图谱中止编码，又允许这些结构被复制的机制，大约许多研讨者就会以为这一发现物具有足够多的地球生命特征，完整能够被视为一种生命。[2]

在本书后面的部分，我们将会分开地球，前往太阳系中的其他行星。届时我们将回到上面这个主题，并思索必须中止哪些科学实验才干在我们寻觅生命的过程中取得肯定的答案。而在现阶段，能够先就我们对生命定义的探求中止一些个人深思，希望你以为这样做对我们都有益处。

地球岛

地球这颗行星宛如我们所能具有的最好的一艘太空船。它携带着大量的原资料，具有一个能将太阳能转化为可应用燃料的维生系统，并维护我们免于太空中恶劣环境的影响。生命在地球上曾经存在了近40亿年，这段时间内，地球名义环境的稳定性发挥了关键作用，使生命得以演化至其现代形态。为何这颗行星的物理特性（即其地质学特性）能为我们提供稳定的居所并维护我们免受伤害？这是一个有趣而值得思索的问题。

火山喷发构成地球大气层并维持至今。大气层的化学