有一種“稀有地球假設(shè)”理論認為，高等生命的演化條件是極端嚴苛的，像地球這樣的生命天堂有可能在銀河系乃至整個可觀測宇宙中都是“稀有”的。這意味著即便在所謂的地球2.0上，存在高等生命的可能性也是微乎其微的。

盧昌海

稀有地球假設(shè)

北京時間2015年7月24日凌晨，美國國家宇航局（NASA）宣布在距地球約1400光年的一顆類似于太陽的恒星周圍發(fā)現(xiàn)了一顆名為開普勒-452b的行星。這顆被喻為地球2.0的行星有幾個特點引起了人們的濃厚興趣：首先是塊頭比較接近地球——直徑約比地球大60%，質(zhì)量為地球質(zhì)量的5倍左右；其次是它處于自己恒星周圍的所謂的可棲息帶之內(nèi)，這意味著其表面有可能存在被視為生命——尤其是高等生命——所必需的液態(tài)水。

若干年來，人們一直在致力于尋找像地球這樣適合生命居住——甚至已經(jīng)有生命棲居——的行星，NASA的這一發(fā)現(xiàn)是這種努力的一個縮影。在這種努力的背后，則是對地球這個生命天堂是如何形成的思考。在本文中，我們將介紹一種有關(guān)地球1.0的新觀點，它對于全面理解類似發(fā)現(xiàn)地球2.0這樣的新聞發(fā)布會有很大的益處。

2000年，美國古生物學(xué)家瓦德和天文學(xué)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(shè)”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。

稀有地球假設(shè)是如何得出這一結(jié)論的呢？我們來介紹一下其所認為的高等生命的演化所需滿足的主要條件。

持續(xù)可棲息帶

首先是行星的位置——具體地說，是行星離恒星的距離。這一距離直接關(guān)系到行星的表面溫度，進而影響到行星表面液態(tài)水的存在與否。這一因素并不是稀有地球假設(shè)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(tài)水，這是人們早就知道的。不過，稀有地球假設(shè)對這一因素的分析有一個獨特之處，那就是提出了所謂“持續(xù)可棲息帶”的概念。

什么是持續(xù)可棲息帶呢？顧名思義，就是在高等生命的出現(xiàn)所需的數(shù)十億年的漫長演化時間之內(nèi)，能“持續(xù)”使行星表面存在液態(tài)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——恒星每秒鐘以電磁輻射的形式所發(fā)射的能量——是隨時間變化的。以我們的太陽為例，自“長大成人”——進入主序星——那會兒算起，它的光度已增加了40%左右。相應(yīng)地，太陽周圍可棲息帶的位置則有了自內(nèi)向外的推移。很明顯，在這樣的變化中，持續(xù)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。比如對太陽系來說，瓦德和布朗利采用的持續(xù)可棲息帶的范圍是從距太陽0.95天文單位到1.15天文單位，寬度僅0.2天文單位。由于持續(xù)可棲息帶很窄，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(xù)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(xù)可棲息帶的。比如星系的核心區(qū)域由于星球密度太高，諸如近距離超新星爆發(fā)之類會對生命演化造成滅頂之災(zāi)的突發(fā)事件的發(fā)生頻率將大為增加；星系的外圍則因為重元素的相對稀缺，無法提供生命所需的原材料，都被認為是不利于高等生命出現(xiàn)的。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(qū)域才是有可能出現(xiàn)高等生命的。這就是所謂星系的持續(xù)可棲息帶，它的存在進一步增加了生命天堂的稀有性。

恒星的大小

高等生命所需的數(shù)十億年的漫長演化對恒星本身也提出了不低的要求。恒星天文學(xué)上有一個基本事實，那就是恒星越大，壽命——確切地說是主序星生涯的壽命——越短。比如一個質(zhì)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(zhì)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(zhì)量恒星中，只有質(zhì)量比太陽略大的才有可能提供出現(xiàn)高等生命所需的數(shù)十億年的漫長演化時間。

另一方面，小質(zhì)量恒星雖有“長壽基因”，卻也有自己的麻煩，因為它們的持續(xù)可棲息帶離它們較近，但近到一定程度之后，持續(xù)可棲息帶內(nèi)的行星就會因為受到恒星引力潮汐的影響，而出現(xiàn)與恒星之間的“潮汐鎖定”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象一旦出現(xiàn)，行星將始終以同一面朝向太陽，使那一面無可避免地出現(xiàn)酷熱、另一面則無可避免地陷入嚴寒，季節(jié)、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(xiàn)的。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”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。

對氣候的苛求

高等生命所需的數(shù)十億年的漫長演化同時也是對行星氣候的嚴苛要求。拿地球來說，在她所經(jīng)歷的數(shù)十億年的漫長時間里，比如今很多人所擔(dān)心的有可能在幾十或幾百年內(nèi)造成不可逆危害的溫室效應(yīng)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(jīng)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(dǎo)致液態(tài)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(shù)十億年的細致平衡也被認為是高度稀有的。

說到了氣候，自然也得說說“氣”，即大氣層。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(zhì)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?nèi)缃駥π行堑睦斫?，當它的質(zhì)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(tài)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(xiàn)要求行星的質(zhì)量“不大不小”。

把這些有關(guān)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(shè)還引進了一些初看起來并不重要，甚至跟高等生命的出現(xiàn)風(fēng)馬牛不相及的因素。

月球與木星

比如以地球為例，月球就是這樣一個因素。稀有地球假設(shè)的支持者們提出：月球的存在對于維持地球自轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定有著重要影響，因為一些天文學(xué)家的模擬計算表明，倘若沒有月球，地球自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)軌道平面的夾角將難以維持穩(wěn)定，而將在從0°到85°甚至90°的大范圍內(nèi)變動。這不僅將破壞四季變化的穩(wěn)定，破壞生物對季節(jié)的適應(yīng)，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(zhuǎn)的，當自轉(zhuǎn)軸指向太陽時，幾乎整個北半球都將經(jīng)歷長達數(shù)月的連續(xù)白天，南半球則相反，是長達數(shù)月的連續(xù)黑夜，起碼就陸地氣候而言，這將導(dǎo)致一邊酷熱、一邊嚴寒的局面。當自轉(zhuǎn)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?qū)ι铩绕涫顷懙厣铩纳婧脱莼斐蓢乐乩щy。

更嚴苛的是，月球之所以能對地球自轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定起到重要影響，是因為它異乎尋常地大——事實上，它是太陽系衛(wèi)星之中相對于行星而言最大的。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”。如此規(guī)模的碰撞，并由此而產(chǎn)生如此巨大的衛(wèi)星是相當稀有的。假如高等生物的出現(xiàn)有賴于行星自轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定，而后者又有賴于稀有碰撞產(chǎn)生的巨大衛(wèi)星，它本身自然也就相當稀有了。

除月球外，稀有地球假設(shè)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“保護神”的作用。因為對地球生命的最大威脅之一乃是大質(zhì)量隕星的撞擊，假如那樣的滅絕事件過于頻繁，需要數(shù)十億年漫長演化的高等生命就很可能沒有機會產(chǎn)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。

奇妙的是，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(zhuǎn)軌道的穩(wěn)定（從而直接影響到地球表面溫度的穩(wěn)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。

不無爭議的假設(shè)

毫無疑問，稀有地球假設(shè)所描繪的圖景對于偏好《星球大戰(zhàn)》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。這個圖景究竟有幾分可信呢？現(xiàn)在還很難回答。因為在目前這個階段，別說高等生命，在地球以外哪怕原始生物都尚未被發(fā)現(xiàn)，因此起碼從直接證據(jù)的角度講稀有地球假設(shè)所涉及的乃是一個空白領(lǐng)域，甚至在可預(yù)見的將來都有可能維持空白。

不過，從理論上講還是大有探討余地的。事實上，對稀有地球假設(shè)的每一個推理環(huán)節(jié)，都有科學(xué)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(shè)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(shè)有更多了解，還可以看到科學(xué)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?？茖W(xué)是在爭議中尋找前行道路的。

首先來看看持續(xù)可棲息帶這一概念。這一概念當然是不無道理的，出現(xiàn)高等生命所需要的長期穩(wěn)定的環(huán)境確實要求行星長期處于可棲息帶之中。但持續(xù)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(xù)可棲息帶為例，一些新近研究已經(jīng)對它的范圍作出了修正，使它的寬度從原先的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(xù)可棲息帶之外反倒是稀有了。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(fā)現(xiàn)，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(xù)可棲息帶內(nèi)也未必稀有。

針對持續(xù)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(shè)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(fù)看到這種類型的異議。

星系的持續(xù)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(tǒng)看起來不適合高等生命的區(qū)域，也完全可以局部地具備出現(xiàn)高等生命的條件，因此星系的持續(xù)可棲息帶是并不嚴格的。退一步說，即便把星系的持續(xù)可棲息帶以外的區(qū)域嚴格排除掉，也并不構(gòu)成一個很稀有的因素，因為剩下的區(qū)域仍包含了10%左右的恒星。類似地，恒星大小方面的限制也不是一個很稀有的因素，據(jù)估計，滿足限制的恒星約有20%，從而也并不很稀有。

行星氣候方面的因素又如何呢？維持數(shù)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(guān)鍵的一點是：假如行星氣候的變化存在負反饋機制，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，可以大大降低失控的概率。這種負反饋機制沒什么理由認為是地球特有的，則長期穩(wěn)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(zhì)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還有金星，兩者合計占了類地行星數(shù)目的50%。

風(fēng)馬牛不相及

最后，那些貌似跟高等生命的出現(xiàn)風(fēng)馬牛不相及，但被稀有地球假設(shè)引進來的因素經(jīng)過另一些天文學(xué)家的研究，也顯示出它們有可能確實就是“風(fēng)馬牛不相及”的東西。

比如月球，它對于維持地球自轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定確實是有作用的，但被稀有地球假設(shè)忽視的是：這種作用是跟地球的自轉(zhuǎn)快慢有關(guān)的。模擬計算表明，假如地球的自轉(zhuǎn)周期不是現(xiàn)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(zhuǎn)軸方向的變化范圍也會小得多。更“吊詭”的是，從某種意義上講，地球的自轉(zhuǎn)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25億-40億年前的太古代，地球的自轉(zhuǎn)周期本就在12小時左右。假如月球從那時起就不曾存在過，地球的自轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸的穩(wěn)定。更何況，就算地球自轉(zhuǎn)軸的方向果真在大范圍內(nèi)變化，是否就一定不能出現(xiàn)高等生命，本身也是不無爭議的。

再談?wù)勀拘?，這個被稀有地球假設(shè)抬到“保護神”位置上的行星“老大哥”按另一些天文學(xué)家的看法，其實有一些“成事不足，敗事有余”的意味。比如距今約6,500萬年前的恐龍滅絕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？有人認為是來自小行星帶。對此，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(fēng)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。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(zāi)變事件的肇事者，它的功過和作用是很難一概而論的。

小樣本問題

如果小結(jié)一下的話，那么稀有地球假設(shè)可以說是反復(fù)而系統(tǒng)地使用了“擇壞原則”——這是我杜撰的術(shù)語，指的是在所有可能性中優(yōu)先選擇不利的可能性。這是比我們常用的“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(tǒng)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(shè)還有另一個很大的系統(tǒng)性缺陷，那就是迄今為止關(guān)于生命我們只有一個“樣本”，那就是地球上的生命。

任何學(xué)過統(tǒng)計的人都知道，依據(jù)小樣本進行推理是魯莽的。比如我們?nèi)魪奈匆娺^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(yīng)地球環(huán)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。