導(dǎo)讀：美國《探索》雜志日前撰文，探討了在宇宙中哪些地方可能能夠發(fā)現(xiàn)外星生命，以下為文章全文。
很多最新探測發(fā)現(xiàn)都指向“適居帶”，認(rèn)為在那里可能會找到外星生命。1976年美國海盜1號(viking 1)飛船在火星上降落，它并沒發(fā)現(xiàn)可支持“火星上存在生命”的明顯的生物活性跡象，而且海盜1號發(fā)回地球的照片，展示了一個荒涼、寒冷的世界。
幾十年后觀念大變
那么在33年后人們的觀點又發(fā)生了什么變化呢？33年前人們認(rèn)為火星是地球以外唯一一顆可能曾有生命“安家落戶”的行星?，F(xiàn)在由于科學(xué)家在外太空發(fā)現(xiàn)大量有可能存在生命的天體，人們對宇宙生命的觀念開始發(fā)生轉(zhuǎn)變，認(rèn)為火星并非地球以外唯一一顆可能曾有生命存在的行星。
因此，他們現(xiàn)在不只在一些地方尋找生命，而是在“適居帶”里查找生命的痕跡，給除了地球以外的大量生命可以在上面繁衍生息的天體繪圖。這種生命居所可能在我們星系里、整個宇宙以及宇宙以外的其他行星和衛(wèi)星上。
這方面研究的發(fā)展速度令人吃驚。就在今年4月月對土星的衛(wèi)星——土衛(wèi)二進(jìn)行的最新研究獲得的成果，展示出在這顆衛(wèi)星崎嶇不平的表面下隱藏著暖水海洋。在“卡西尼”號飛船看到有間歇泉噴發(fā)出來的水蒸氣從土衛(wèi)二表面冒出以前，從沒有人認(rèn)為這顆直徑大約是300英里的衛(wèi)星有什么與眾不同之處?，F(xiàn)在土衛(wèi)二跟木星的衛(wèi)星——木衛(wèi)二一樣，都加是太陽系里似乎存在液態(tài)水和構(gòu)成生命的物質(zhì)的地方。
天文學(xué)家也在研究圍繞在其他恒星周圍的大量類地行星。從20世紀(jì)90年代開始，他們已經(jīng)確定出大約340顆太陽系外行星。其中大部分都是龐大的氣態(tài)行星，但是最近他們開始搜索體積更小的世界。兩個月前，歐洲衛(wèi)星Corot發(fā)現(xiàn)一顆直徑是地球的兩倍的系外行星，美國宇航局的新“開普勒(Kepler)”探測器也將在今年晚些時候，開始搜索真正跟地球類似的行星。
與此同時，最近的發(fā)現(xiàn)顯示，微生物的忍耐性比我們認(rèn)為的更強(qiáng)，這意味著即使那些跟地球不是特別相像的行星，可能也適合生物生存。這些發(fā)現(xiàn)說明火星只是這項搜索邁出的第一步。宇宙中的適居帶似乎非常龐大，里面可能充滿了生命。
太陽系適居帶
我們已知的尋找生命的導(dǎo)向原則是那里必須要有水存在。直到現(xiàn)在為止，這條原則一直讓科學(xué)家認(rèn)為，只有滿足以下條件的天體，才能成為生命的家園：適合的溫度、巖質(zhì)行星和表面擁有液態(tài)水。
如果這樣考慮，這樣的世界只能存在于我們的太陽系里。加州大學(xué)圣克魯茲分校的格雷格·拉弗林說：“如果根據(jù)一系列非常有利的氣候條件定義適居帶，那么你可在太陽周圍進(jìn)行搜索的范圍非常有限。當(dāng)氣候出現(xiàn)嚴(yán)重問題時，在距離太陽比地球稍近的范圍內(nèi)和在距離太陽比地球遠(yuǎn)大約30%的地方都有可能適合生命生存。”要是根據(jù)有沒有水的觀點來判斷，在我們的太陽系里沒有其他地方適合生命生存。即使很多其他恒星也擁有太陽系，但是正好位于適合生命生存的軌道上的行星少之又少。
如果不是在地球上獲得一系列令每個人都意想不到的發(fā)現(xiàn)，尋找適居帶的努力最終將得到一個令人倍感沮喪的結(jié)局。天體生物學(xué)是一項研究生命是如何在宇宙中出現(xiàn)和演變的專門學(xué)科。這個領(lǐng)域的先驅(qū)克里斯·麥克卡伊說：“每個人都不希望看到這種結(jié)果。人們發(fā)現(xiàn)細(xì)菌變種并非從地球表面獲得食物、氧氣，也不依靠照射到地球表面的陽光?！?/div>
這些最新發(fā)現(xiàn)的生命形式——“極端微生物(extremophiles)” 生活的條件是如此惡劣，50年前的生物學(xué)家做夢也想不到能有生命可在這種環(huán)境下生存。巨型管蟲、螃蟹和小蝦喜歡生活在黑暗環(huán)境下、海面以下1英里深的地方和極熱的熱液噴口周圍。這些熱液噴口就是我們已知的“黑煙囪”，它不斷向海洋里噴出像煙柱的黑色氫化硫。利用這種熱液噴口噴出的化學(xué)物生存下來的生物體不需進(jìn)行光合作用。
然而對麥克卡伊來說，這些生物并不是最令人感到興奮的極端微生物類型。他說：“它們?nèi)匀灰揽客ㄟ^陽光間接生成的氧氣?！迸c之相比，更加引人注意的細(xì)菌是那些在很深的地下繁衍生息的類型。一種細(xì)菌生活在南非5英里深的金礦內(nèi)部。麥克卡伊說：“這些生物從我們從沒想到的來源獲得能量。南非極端微生物細(xì)菌是從巖石里不穩(wěn)定的放射性原子獲得能量。陽光和地表水對它不起任何作用。這種情況非常令人吃驚。”
極端微生物從非太陽能源獲得能量的事實，說明外星生命也可能生活在類似環(huán)境下，在遠(yuǎn)離地表水和陽光的地下很深的地方繁衍生息。麥克卡伊說：“可居行星并不一定非得像地球一樣。這些發(fā)現(xiàn)最大限度地擴(kuò)展了我們對適居帶的理解?！?/div>
說來也巧，這項極端微生物發(fā)現(xiàn)跟以前的研究結(jié)果正好相符，以前的研究顯示，太陽系可能擁有很多人們以前根本沒有想到的溫暖潮濕的地區(qū)。20世紀(jì)90年代發(fā)射升空的“伽利略”探測器收集了大量可信證據(jù)，證明木星的大衛(wèi)星——木衛(wèi)二寒冷的地表下?lián)碛幸粋€球形液體海洋。美國宇航局剛剛宣布要在2027年重返那里，進(jìn)行更加細(xì)致的研究。
最近在土衛(wèi)二上發(fā)現(xiàn)的間歇泉，再一次驚醒了行星科學(xué)家，使他們想弄清楚是否在太陽系周圍有更多這種熱鬧地帶。這些地方缺少陽光，跟地表沒有聯(lián)系，但是一些生命顯然非常喜歡這樣的環(huán)境。麥克卡伊說：“當(dāng)你在木衛(wèi)二和土衛(wèi)二地表下發(fā)現(xiàn)液態(tài)水，并把它與我們對陸地極端微生物的理解結(jié)合在一起時，你就會明白為什么‘適居帶’的定義必須發(fā)生改變了?！?/div>
銀河適居帶
天體生物學(xué)家開始留意我們周圍的星系后，尋找適居帶的范圍開始變得更廣。銀河包含大約2000億顆恒星。現(xiàn)在我們只知道一小部分恒星擁有行星，這一小部分可能就包含無數(shù)個世界。
紅矮星是迄今為止在我們的銀河系里發(fā)現(xiàn)的最為普通的恒星，以前科學(xué)家曾認(rèn)為在這些地方可能不會找到類地行星，但是最新研究結(jié)果正好與之相反。極端微生物告訴我們，生命或許能在不太跟我們的地球一樣的行星上生存下來。除了這些好消息以外，還有一些壞消息。因為像星系的太陽系擁有自己的適居帶，因此要找到這樣的行星并不容易。并非所有星系都適合生命生存。澳大利亞國立大學(xué)的天體生物學(xué)家查爾斯·林維弗(Charles Lineweaver)在2004年發(fā)表的一篇論文，把目光放到我們銀河系以外可能存在的危險外星生物上。在這種情況下，最重要的因素是不能有水，活動劇烈的龐大恒星與上述情況非常類似。
研究顯示，星系中最明亮、最熱、最重的恒星對行星和生物都是至關(guān)重要的。它們是宇宙的關(guān)鍵性重元素的唯一來源，例如硅(地殼里超過四分之一的物質(zhì)都是硅)、鉀(對細(xì)胞活性至關(guān)重要)和鐵(我們血液里的這種元素負(fù)責(zé)攜帶氧氣)。這些元素為恒星鑄成了炙熱的核熔爐。龐大恒星以超新星爆炸的方式結(jié)束生命，這個過程會向太空噴發(fā)大量重元素，然后這些元素不斷結(jié)合，再次形成下一代恒星，并為行星形成播下種子。
考慮到銀河的適居帶，林維弗在最初的論文中提出了重元素。從銀河中心向外，恒星形成的速度變得越來越慢，重元素的數(shù)量也與這保持一致。林維弗認(rèn)為，當(dāng)太陽在40億年前形成時，外側(cè)三分之一的星系缺少重元素支持生命生存。自此以后，重元素變得分布越來越廣，現(xiàn)在只有銀河系最外緣含有的重元素還不足以形成類地行星。我們所處的位置有三分之二位于銀河的恒星圈內(nèi)。我們所在的位置正好位于銀河系中適于生命生存的區(qū)域中心。研究顯示，銀河內(nèi)部也不適合生命生存。
龐大恒星促使適居帶形成的同時，也限制了銀河適居帶的內(nèi)側(cè)范圍。超新星爆炸產(chǎn)生和釋放的重元素也釋放出大量高能放射物，例如伽馬射線、X射線和紫外線。這些恒星爆炸對距離恒星幾十光年的行星都能產(chǎn)生致命影響。銀河擁擠的中心地帶擁有大量龐大的恒星和超新星，因此這里進(jìn)化出復(fù)雜的生命形式并非不可能。不過目前要解決的首要問題是，超新星爆炸會產(chǎn)生多壞的影響。
林維弗和他的同事們認(rèn)為，放射物毒害使銀河內(nèi)側(cè)20%的地方無法支持生命生存，這個區(qū)域包含大約星系中的一半恒星。密歇根大學(xué)的弗瑞德·亞當(dāng)斯說：“你一直在尋找一種美好地帶。這些地方距離恒星不遠(yuǎn)不近，能確保重元素的含量不致過低?！钡倾y河非常龐大，因此亞當(dāng)斯指出要合理提出設(shè)想。他說：“最糟糕的情況就是，在一到多種因素的影響下，銀河中適合生命生存的地帶不斷減少?！?/div>
銀河中的適居帶數(shù)量主要根據(jù)生命對強(qiáng)劑量的放射物如何做出反應(yīng)而定。我們或許已經(jīng)獲得被封鎖在地球上的化石里的信息?？八_斯州立大學(xué)的艾德里安·米洛特說：“每隔6200萬年，地球上的生物多樣性就會出現(xiàn)問題。古生物學(xué)家已經(jīng)建立大量數(shù)據(jù)庫，儲存所有動物化石記錄。通過這些數(shù)據(jù)，你能看到隨著時間推移，生命力會發(fā)生什么變化。”
他的研究有力地支持了其他科研組的研究成果，顯示出生命力下降，有時是生物大量滅絕，似乎遵循著一定的周期。米洛特把生物多樣性的改變跟我們銀河中的太陽和行星運(yùn)動聯(lián)系在一起。他說：“太陽在圍繞銀河運(yùn)行的同時，也會出現(xiàn)上下波動，讓星系平面舉起，然后再讓它落下。每一次太陽升起，向銀河盤的北邊移動時，我們的生物多樣性就會下降。他注意到銀河的北側(cè)指向室女座星系，這是聚集在我們附近的一個龐大的星系。我們的銀河每秒向室女座靠近大約120英里。
據(jù)米洛特說，當(dāng)銀河從星際物質(zhì)間通過時，它前面會形成強(qiáng)大的沖擊波。沖擊波產(chǎn)生的高能粒子被稱作宇宙射線，這種射線能擾亂生物分子，破壞DNA，使它無法被修復(fù)。通常情況下銀河的磁場保護(hù)我們不被放射物傷害。但是每隔6200萬年，太陽就會向危險區(qū)域的邊緣靠近。他說：“當(dāng)太陽奔向銀河平面的北側(cè)時，整個地球就會受到大量宇宙射線沖擊。所有恒星在星系里移動時，都會遵循類似的跳躍運(yùn)動，但是位于星系中心的恒星，跳躍的速度會更快。
這種情況可能支持了林維弗的觀點，他認(rèn)為這些區(qū)域包含復(fù)雜生命的可能性更小。但是生命也需要一定數(shù)量的放射物。放射物促使生物發(fā)生變異，而且大量滅亡也為進(jìn)化變異清掃了道路。該說法支持了亞當(dāng)斯的觀點。米洛特總結(jié)說：“我們希望獲得足夠的放射物來促使新生命形式得到發(fā)展，但是我們不需要很多放射物，以至于消滅整個地球?！?/div>
臨時適居帶
米洛特有關(guān)大量消亡的假設(shè)闡述了適居帶如何可以用空間進(jìn)行測量，同時也可以用時間進(jìn)行測量。根據(jù)他的假設(shè)，有關(guān)生命存在的“何時”與“何處”這兩個問題同等重要。在此過程中，超新星也扮演了重要角色。在大炸彈孕育宇宙之時，新生的宇宙幾乎完全由氫和氦構(gòu)成。此時是形成行星的絕好時機(jī)而不是生命。
碳、氧、鐵以及其它元素不得不等待恒星——尤其是大質(zhì)量恒星——通過核聚變形成更重的元素。這些已處理的元素在恒星風(fēng)或者超新星爆炸中逃離，隨后又被后代的恒星“捕獲”。以這種方式積累形成生命所需元素需要數(shù)十億年之久。整個宇宙已經(jīng)有137億年歷史，可能在最初的幾十億年時間里，宇宙完全是一個不適合生命居住的區(qū)域。
一旦宇宙中充斥著大量重元素，形勢便會逆向發(fā)展，恒星孕育生命的能力也遭到限制。體積中等的恒星——太陽壽命為100億年，此時的它大約已經(jīng)“星到中年”。在另一個50億年時間里，太陽將膨脹成一顆紅巨星并吞噬我們的地球或者烘烤地球表面使其凝結(jié)。在最短10億年時間里，太陽逐漸增加的發(fā)光度可能讓地球變成生命無法承受的所在。亮度更高、質(zhì)量更大的恒星以更快的速度消耗它們的核燃料，它們可能更快速地燃燒殆盡，允許復(fù)雜生命進(jìn)化。
慶幸的是，暗淡的紅矮星能夠潛在地支持類似地球的行星在很大程度上孕育臨時適居帶。在這些恒星中，亮度最低同時也最“節(jié)儉”的成員壽命可能達(dá)到10萬億年之久，是太陽的1000倍。當(dāng)前的研究顯示，宇宙的擴(kuò)張可能是永久性的。如果事實果真如此，我們熟知的宇宙——充滿恒星同時也可能充滿生命的——在永無止境的冰冷、黑暗的虛無狀態(tài)將只是一個瞬間。是否再一次感到可怕？別擔(dān)心，最新物理學(xué)理論指出，另一個適居帶將允許生命在最后一顆恒星死亡之后繼續(xù)存在下去。
多元宇宙適居帶
目前，最大的適居帶并不是我們認(rèn)為中的宇宙，而是假設(shè)中的宇宙中的宇宙，也就是宇宙學(xué)家所說的多元宇宙。在我們的宇宙變得一片昏黑之后，另一個或者多個宇宙將負(fù)責(zé)將生命之火繼續(xù)傳遞下去。
通常所說的宇宙是指我們能夠觀察到的一切，其中包括控制它的物理學(xué)定律。數(shù)量驚人的宇宙可能正如科幻小說和影片所描述的那樣，而我們這個宇宙只是千千萬萬宇宙中的一個?，F(xiàn)在，宇宙學(xué)家正利用一項名為“暴脹”的理論創(chuàng)建多元宇宙模型。
當(dāng)前有關(guān)早期宇宙的最重要模型——暴脹宇宙論認(rèn)為，整個可以觀測到的宇宙開始于一個小斑點。這個斑點位于一個由大爆炸產(chǎn)生的可能永不消逝的存在物。在大爆炸后10至30秒時間里，這個斑點經(jīng)歷了一個超高速擴(kuò)張時期，因此才有“暴脹”之說，擴(kuò)張之后的宇宙形成我們現(xiàn)在看到的一切。雖然聽起來非常怪異，但這個模型擁有一些合理的觀測上的支持。
相比之下，一些宇宙學(xué)家的步子邁得更大一些，在他們看來，暴脹也可以在其它時間在其它地方出現(xiàn)，當(dāng)時發(fā)生了其它創(chuàng)世時刻并隨后經(jīng)歷自身的暴脹，成為單個的小型宇宙。物理學(xué)家將這種增殖現(xiàn)象稱之為“永恒暴脹”。這種永恒性導(dǎo)致單個宇宙數(shù)量達(dá)到近乎無窮多的程度，每一個宇宙都擁有屬于自己的物理學(xué)定律。這種現(xiàn)象與弦理論相當(dāng)怪異的預(yù)言相吻合。弦理論是一種基礎(chǔ)物理學(xué)模型，認(rèn)為可能存在大約10500組不同的定律。
弗瑞德·亞當(dāng)斯表示：“在這些宇宙中，部分宇宙的地心引力可能比我們所在的宇宙大或者小。其它宇宙控制原子和分子的電磁力可能存在差異。其它不同類型宇宙的生命形成過程可能呈現(xiàn)出戲劇化?！?/div>
適居帶存在擁有更大可能性
雖然尚未發(fā)現(xiàn)存在這些多元宇宙的證據(jù)，但這并不能阻止理論學(xué)家對此進(jìn)行各種各樣的推測。在我們生存的宇宙，物理學(xué)定律似乎經(jīng)過恰到好處的校準(zhǔn)，以允許擁有穩(wěn)定軌道的長壽恒星、行星以及允許復(fù)雜化學(xué)過程發(fā)生的分子存在。所有這些似乎都是形成生命的前提條件。亞當(dāng)斯說：“人們經(jīng)常問的一件事情是其它宇宙的恒星習(xí)性。如果是一些無法形成恒星的宇宙，它們可能就是一個個不毛之地?！?/div>
亞當(dāng)斯嚴(yán)肅對待這個問題，并開始一項有關(guān)“另類”物理學(xué)以及影響恒星形成的研究。他說：“我決定進(jìn)行一次實實在在的計算，看看能否將所有這些推測歸結(jié)為一個適當(dāng)?shù)膯栴}。4個基本力(重力、電磁力以及強(qiáng)弱核力)的每一個均擁有一種類型的理論按鈕，這個按鈕可以調(diào)大和調(diào)小以改變強(qiáng)度。我決定對一系列理論上的恒星模型進(jìn)行計算，以確定多大的力孕育了工作恒星?！?/div>
計算結(jié)果令很多人驚訝不已。亞當(dāng)斯說：“很多人認(rèn)為只有數(shù)量極少的氣泡宇宙擁有支持生命存在的條件?！眮啴?dāng)斯的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，功能恒星在物理學(xué)變異方面較任何人認(rèn)為的更具彈性。由于恒星是生命形成的前提條件，這些發(fā)現(xiàn)暗示生命適居帶的存在擁有更大可能性。
亞當(dāng)斯的四分之一模型能夠孕育出長壽恒星，但同時也提出一個非常重要的告誡。亞當(dāng)斯并未指出在一個隨機(jī)選中的小型宇宙中，任何給定強(qiáng)度的重力或者電磁力擁有多大形成恒星的可能性。他說：“你需要的是將我所做的工作與一個多元宇宙的可能性分布結(jié)合在一起?！睋Q句話說，我們需要了解有關(guān)小型宇宙物理學(xué)定律變異的統(tǒng)計學(xué)，在暴脹宇宙論中，并不存在指導(dǎo)科學(xué)家選擇有關(guān)小型宇宙物理學(xué)的原則。
黑洞孕育新宇宙
加拿大安大略省沃特盧的普里美特理論物理學(xué)研究所理論物理學(xué)家李·斯莫林(Lee Smolin)提出一個富有爭議的想法，即對其它宇宙進(jìn)行可以測試的預(yù)測。在此過程中，斯莫林讓有關(guān)適居性的研究較亞當(dāng)斯的推斷相比更為理想。
上世紀(jì)90年代初，斯莫林提出了一個多元宇宙模型，這個模型在很大程度上有別于暴脹宇宙論的小型宇宙。他的模型關(guān)注的是黑洞歪曲時間和空間的方式。自上世紀(jì)60年代以來，一些理論學(xué)家便開始傳播這一想法，當(dāng)時一顆大質(zhì)量恒星塌陷成一個黑洞，黑洞可能孕育出一個新的宇宙。斯莫林的研究一直建立在這一想法基礎(chǔ)之上。
黑洞產(chǎn)生的宇宙在很大程度上有別于與永恒暴脹有關(guān)的宇宙。在暴脹這種情況下，有關(guān)一個宇宙與另一個宇宙的物理學(xué)之間沒有任何聯(lián)系。斯莫林指出，這個黑洞模型在很大程度上趨向于確定類型的物理學(xué)。他說：“任何產(chǎn)生更多黑洞的宇宙都將形成更為危險的宇宙。它的物理學(xué)將遺傳給自己的女兒?！弊鳛榻Y(jié)果，應(yīng)該存在一個類似于自然選擇的過程，這一過程更青睞在物理學(xué)方面能夠形成更多黑洞的宇宙。類似這樣的宇宙成為多元宇宙的統(tǒng)治者。
斯莫林的模型擁有兩大重要優(yōu)勢。首先，它解釋了我們的宇宙為何擁有當(dāng)前的物理學(xué)定律，類似我們的宇宙形成可產(chǎn)生黑洞的大質(zhì)量恒星，這些宇宙在很大程度上被選中。其次，它解釋了為什么我們的物理學(xué)定律允許生命存在，原因在于：允許恒星存在的元素恰好與允許地球生命生物學(xué)存在的元素一致。
實際上，斯莫林的模型還擁有第三個優(yōu)勢。斯莫林指出，他的黑洞多元宇宙假設(shè)能夠進(jìn)行檢驗。能夠孕育最多數(shù)量黑洞的宇宙也擁有最多后代，我們的宇宙應(yīng)該是形成黑洞的最理想選擇。斯莫林的假設(shè)——包括有關(guān)宇宙暴脹以及最重穩(wěn)定中子星質(zhì)量的想法——一直獲得相關(guān)支持。他說：“這一理論是可以驗證的。如果觀測結(jié)果與我的預(yù)測相矛盾，這一理論就是錯誤的?！比绻鼓质钦_的，便說明我們不僅僅生存于一個宇宙，而是一個完整的可能充滿生命的多元宇宙，即一個不受束縛的適居帶。
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