带孩子展望宇宙

《给孩子讲地外文明》

李淼著

湖南科技出版社2020年2月

●李淼

编者按

《给孩子讲地外文明》是物理学家、文津图书奖得主李淼教授关于外星智慧生命的科普读物。这也是“给孩子的物理学”系列的第五本。2019年诺贝尔物理学奖颁给了第一颗类地行星的发现者：梅厄和他的学生迪迪尔·奎洛兹，而这一切都始于一个疑问：太阳系之外是否有其他行星乃至生命存在。该书正是从科学的角度来回应孩子和人们共同的好奇：真的有外星人吗？宇宙中是否有比人类文明更高级的存在？作者用趣味的故事和精心的构思，带读者思考，也为读者解惑。他从我们的猜想开始，讲述了智慧生命存在的条件与发展的历史，以及人类在探索地外文明方面的努力与进展；以翔实的科学知识，回应人类的狂野想象。

火星人存在吗？

第一个科学推测来自意大利天文学家乔瓦尼·维尔吉尼奥·斯基亚帕雷利。斯基亚帕雷利早期的兴趣是研究彗星和流星雨，后来，他的兴趣转移到了行星上面。1877年的一个夜晚，斯基亚帕雷利准备好了去观测火星。为了观测火星，他戒了喜欢的酒精饮料，甚至还戒了咖啡。

这个夜晚之后，斯基亚帕雷利还花了不少夜晚认真细致地观测了火星，积累的成果非常丰硕。他绘制了一幅当时最为完善的火星表面图，这张图后来成了行星绘图的标准之一，在宇航时代来临之前，一直有人在用它。

顺便说一下，太阳系中最高的山也是他发现的，就是火星上的奥林匹斯山，这座山高达21公里，是珠穆朗玛峰的两倍多。除了奥林匹斯山，斯基亚帕雷利还发现了火星上看上去很像干涸了的河流的影子。

这个发现使得斯基亚帕雷利推测火星上曾经存在过智慧生物，那些干涸了的河流就是火星人挖出的运河。后来，美国科学家珀西瓦尔·洛韦尔用毕生精力研究火星和火星上的生命，下面是他画出来的火星运河图。

今天，人们采用了更加先进的观测方法，特别是美国发射的一些火星探测器，证实了火星上存在沉积岩，因此科学家推测火星上也许曾经存在过河流和湖泊，下面是欧洲航天局拍摄的火星表面照片，那些痕迹看上去是液态水流过造成的。

英国科幻作家威尔斯的《星际战争》，讲的是火星人入侵地球，他心目中的火星人最早是由天文学家想象出来的。更早的关于外星人的作品，我们就找不到了。不过，有些闲得没事干的人会生造出一些关于外星人的说法。

关于外星人最离奇的说法是，有人说美国政府在神秘的51区秘密地藏着外星人并研究他们。什么是51区呢？其实是位于美国内华达州林肯县内的一个区域，这个区域确实是美国用来研究航空的军事基地。这个基地里有一个长达7公里的跑道，时常有飞机从那里起飞。比如说，美国著名的空军侦察机U-2飞机就是在那里研制出来的。有人声称，那里经常出现各种奇形怪状的不明飞行物，有的是球状、有的是三角状、有的是圆盘状。

51区还出现在一些科幻电影中，比如著名的外星人电影《黑衣人》，里面的外星人就是藏在51区。另外，更新的《星际穿越》，主角库珀就是偷偷溜进51区才得知美国人穿越虫洞的秘密，后来他也是在那里坐着飞船穿越虫洞到达遥远的黑洞附近。

我总是喜欢问一个问题，这个问题堪比著名的费米悖论，为什么人类直到最近100年才开始出现对外星人的猜想，才出现关于外星人的科幻作品？为什么《星球大战》之类的故事发生在距离我们不太遥远的时代？我对这个问题的回答是：第一，直到最近100年我们人类的天文学才发展到可以仔细观测其他行星（例如火星）的程度；第二，直到最近100年人类才发明了航空飞行器（例如飞艇和飞机）。

正因为有了飞机，我们才开始想象飞出地球，也开始想象外星人会驾驶更先进的飞行器。可是，你不觉得奇怪吗？尽管我们人类最近才开始航空航天事业，可外星人为什么直到最近才找到我们？他们为什么直到最近，或者说，直到人类发明了可以飞出太阳系的飞船，才开始与人类交战？也许你会说，因为很早以前人类文明不发达，外星人不屑和我们接触，更不要说和我们开战了。

当然，另一种更加可信的回答是，根本不存在外星人，所以他们在古代也不可能到达地球。

人类搜寻地外文明的成果

从20世纪60年代开始，科学家以及业余外星人爱好者一直在搜寻外星人发来的无线电信号，一直没有收获。今天的SETI，也就是“搜寻地外文明计划”，已经发展到全球，如果你是一位外星人爱好者，你可以下载一个程序，利用你的个人电脑，帮助分析那些积累起来的来自外太空的海量无线电资料。

还有一些人觉得，我们应该在网络上搜寻外星人留下来的信息，比如说，没准来自遥远的地方甚至来自未来的外星人会在微信上留下什么蛛丝马迹。一个来自未来的外星人会知道未来的一些事情，他就可能将这些信息留在网上。比如，如果你发现2000年写下的一个博客，居然描述了2019年发生的事情，这极有可能是来自未来的人写下的。确实有一些好事者做过这种分析，可惜什么也没有找到。

有一个发现支持了外星人存在的观点，那就是科学家确实在一些陨石上发现了生命最基本的分子：氨基酸。但这不算什么特别的鼓舞，毕竟科学家在实验室中也可以用无机物制造氨基酸，甚至合成胰岛素。不过，接下来没有人能够用氨基酸制造出DNA或者RNA。

也许，生命确实是难得一见的奇迹。可是，即使我们要放弃存在外星人的信念，但去寻找太阳系以外的适宜人类生存的行星，仍是一项值得奋斗的事业。科学家的目标是，寻找和地球一样大甚至比地球大的类地行星，他们将这些行星称为超级地球。我们在第三讲的“延伸阅读”中提到过，比地球大的类地行星也许会让我们的体重变大，却不至于让我们流失钙质、骨骼越来越脆弱。

很难用地球上的望远镜寻找大量太阳系之外的行星，因为这些行星实在太遥远了，并且比同样距离之外的恒星要暗得多。于是，美国国家航空航天局在2009年3月6日专门发射了一架太空望远镜，这架望远镜叫作开普勒太空望远镜，专门用来寻找太阳系之外的行星。

这架望远镜之所以被命名为“开普勒太空望远镜”是有原因的。第一，开普勒是第一个发现行星运动规律的人；第二，很少有人知道开普勒首先预言并精确计算了水星和金星凌日的时间。凌日是什么意思呢？因为水星和金星的轨道在地球轨道的里面，它们有可能和地球以及太阳处于同一直线上，并挡在太阳前面。比如说，当金星挡在太阳前面的时候，就有一小部分太阳光被金星挡住。

显然，被遮住的太阳光和金星的大小有关，这样，我们可以通过测量太阳光的变化推测出金星的大小。开普勒虽然预言了水星凌日和金星凌日时间，可惜的是，他没有活着看到凌日现象。

同样，假如有一颗恒星带有行星，如果我们足够幸运的话，这颗行星有机会挡住那颗恒星的光，我们就可以通过恒星亮度的变化推测这颗行星的存在。如果我们知道我们与恒星的距离，还可以通过恒星亮度的变化推测出行星的大小。现在我们明白了，那个太空望远镜为何叫作开普勒太空望远镜，因为它也能用凌日的方法发现系外行星。

1995年，瑞士天文学家米歇尔·梅厄和他的研究生用地面的望远镜第一次发现了系外行星。这是一颗环绕“飞马座51b”恒星转动的行星。经过观测和计算，他们发现这颗行星只需要4天多的时间就能绕恒星一周，这说明它离自己的恒星太近了，行星上的温度应该很高，高达900多摄氏度。这颗行星也很重，所以人们管这类行星叫热木星，像木星一样大但很热的行星。这样的行星一定是气态的，所以根本不是类地行星。梅厄和他的学生迪迪尔·奎洛兹因这个发现获得了2019年诺贝尔物理学奖。

自那以后，天文学家利用地面上的望远镜陆续发现了不少系外行星，而热木星的发现，还让天文学家想出了第二个发现大行星的方法。这个方法完全不同于利用凌日现象，因为它不需要行星在我们眼前，挡住恒星的光。当一颗行星足够大的时候，它对应的恒星会明显受到行星万有引力的影响，也会绕着一个点转动，这种现象叫作恒星摆动。通过恒星摆动幅度的大小，我们能推测出行星的大小。那么，如何测量恒星的摆动呢？见过绿皮火车的人知道，那种火车会鸣笛。当火车迎着我们开来并鸣笛的时候，笛声比较尖锐，而当火车离开我们并鸣笛的时候，笛声比较低沉，这种现象叫多普勒现象。

这样，天文学家就有两种方法来发现系外行星，第一种是利用凌日现象的方法，第二种是利用多普勒现象的方法。回到开普勒太空望远镜，这架望远镜在太空中不是绕着地球转的，而是跟在地球后面绕着太阳转。这架望远镜并不大，直径差不多1.4米，但由于处于深空，它不会受到地球大气的影响，因此观测能力比地面上的望远镜强多了。另外，太空中没有地球上的白天和黑夜，望远镜可以一直对准某个太空区域观测。它观测的是天鹅座和天琴座的方向，也是银河系中心的方向。自从升空之后，开普勒太空望远镜对大约10万颗恒星进行了观测。

2013年5月，开普勒太空望远镜发生了故障，美国国家航空航天局宣布放弃利用它来继续发现系外行星。不过，到那时为止，它已经发现数千颗系外行星，加上地面上的望远镜，人类迄今已经发现了4000多颗系外行星。

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