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大講堂 | 王爽:我們究竟是不是宇宙中的孤島

2月
02
2019

2019年2月02日14時 鳳凰衛視

鳳凰衛視

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王爽,中山大學物理與天文學院副教授,博士生導師,多年致力於宇宙學方面的研究,主要研究方向包括暗能量、超新星、引力波等,除了研究工作之外他還熱衷科普,是知名科普博主,科普作家,新近出版著作《宇宙奧德賽:漫步太陽系》《給孩子講宇宙》《給孩子講相對論》。

三體世界是否真實存在?

我們的旅程要從一位非常有名的作家——劉慈欣說起。他是中國最著名的科幻作家,曾經在2015年拿到了雨果獎,2016年拿到了軌跡獎,2018年的時候,拿到了克拉克獎。

劉慈欣

他之所以能取得這麼多的榮譽,一個非常重要的因素就是他寫出了一個把中國的科幻提升到世界級水平的重要作品——《三體》。提到《三體》,很多的網友都會有一個疑問:三體本身是不是真的存在?它到底是劉慈欣的一個純粹幻想,還是說在我們的真實世界,有與之對應的物體?答案其實是後者,也就是說,在我們真實的世界裡,真的有三體世界的原型。

半人馬座α(南門二)

在劉慈欣的原著里,其實已經說得非常清楚,三體世界離我們大概有四光年。上圖就為大家展示了離我們太陽系最近的一些恆星的系統。確實在離我們四光年的地方,有一個由三顆恆星所構成的系統,半人馬座α,我們中國古人管它叫南門二。那麼我們來認識一下,這三顆恆星。

上面這張圖片就為大家展示了這三顆恆星它們與太陽的大小的對比。最左邊的這個恆星,就是我們的太陽,右邊一點的,叫做半人馬座αA星,再右邊一點是B星,最右邊的,是離我們最近的一顆小恆星,它叫比鄰星。大家可以從這個圖看到,半人馬座A星和B星其實都跟太陽差不多大小,但是比鄰星,其實遠遠小於太陽,它其實是另外一種類型的恆星,稱為紅矮星,它發出的光,也遠遠弱於太陽,大概也就是萬分之一的量級,這就是真實存在的三體世界。

我們已經知道三體世界本是存在的,但三體世界的這三個恆星是不可能存在生命的,如果真的想要有生命的話,它必須是居住在行星之上。那麼第二個問題自然就是,三體世界是否擁有行星?這個答案也是肯定的。

2016年,著名的《自然》雜誌上發表了一篇文章,這篇文章的主要研究單位是歐洲南方台,他們做了一個叫做暗淡紅點計劃的科研項目,致力於在比鄰星周圍,尋找行星,結果是他們真的找到了。

暗淡紅點計劃

最關鍵的事情是什麼?這顆被稱為比鄰星B的行星,它離比鄰星的位置特別的合適,合適到能讓比鄰星B的溫度,恰好允許液態水的存在,也就是說三體人的故鄉,其實就像我們地球一樣,是有液態水可以存在。

三體人真的存在嗎?

那麼三體人真的存在嗎?很遺憾的事情是,這回答案是否定的,我們上述提到的比鄰星B,其實是一個非常典型的不毛之地,一個生命的荒漠。為什麼這麼講呢?

比鄰星B

從大家比較熟悉的我們太陽系的現象說起。太陽系其實最主要的天體就是太陽,因為它是萬物能量的源泉,這就意味著太陽本身的變動,對於我們地球生命的變動,會非常重要。但是太陽它本身,不是一個非常穩定的恆星,它處於劇烈運動的狀態。

最關鍵的是,太陽可以發出太陽風暴,太陽風暴主要有兩部分的內容,一個就是所謂的太陽耀斑,也就是說太陽表面,有一塊區域,它所發出來的電磁波會急劇的增強。另一個是日冕物質拋射,就是太陽它可以把它表層的物體,拋到太空里,而它拋向的這個方向,有可能就會朝向地球,那麼它拋過來的這個物體,就是所謂的太陽風,即一些高能的帶電粒子流。

太陽風暴

那麼這對我們地球會有什麼影響呢?正常情況下它其實沒有太多影響,因為我們有一個,防禦太陽風的屏障,就是所謂的地球磁場。太陽風是帶電粒子流,它進入地球磁場以後,會在磁場的作用下發生偏轉,所以這些帶電粒子流都被偏轉到地球的兩極地區了。這些帶電粒子流和兩極地區的大氣發生摩擦發生相互作用,就形成了我們大家熟悉的美麗的極光,這也是為什么正常情況下,我們只有在地球的兩極地區,才能看到極光。

太陽風暴衝擊地球後的磁場偏移

但是太陽風暴是有可能大幅加強的,我們目前所知道的,有記錄的最強的太陽風暴,發生在2003年,也就是非典的時候。當時在萬聖節前後的那兩三個月里,太陽風暴發生了急劇的增強,大家看下圖,正常情況下,極光是只能出現在兩極地區,但是大家可以看這個地圖,在那段時期,包括亞洲大陸、歐洲大陸,很多的地方都出現了極光。有些人會問:這不是好事嗎?的確很漂亮,但是這其實會對地球造成明顯的影響。

萬聖節太陽風暴(2003)

舉個例子,位於地球軌道上的那些衛星,不像地球本身有磁場守護,在比較空間高的地方,地球的磁場守護就沒有那麼強,所以如果有很強的太陽風暴,它就會對通訊衛星造成很嚴重的干擾。在萬聖節大風暴的時候,其實地球上空大概一大半的各種衛星,都處於無法工作的狀態。不止如此,在太陽風暴足夠強的時候,它其實是可以穿越地球磁場,直接打到地表。

上圖,展示的就是美國德克薩斯州,在那段時期的一個電網事故。就是太陽風暴帶電粒子流打到德州的電網上,造成了他們電網的故障。

了解了太陽風暴的概念後,我們就可以來進一步解釋,為什麼比鄰星B沒有辦法存在生命?因為比鄰星雖然看起來好像是一個不怎麼發光的,不起眼的紅矮星,但是它是一個所謂的耀星。

比鄰星B是一顆耀星

耀星能夠產生特別特彆強的太陽風暴,強到什麼狀態呢?比我們剛才說到的萬聖節大風暴,還要強幾萬倍。大家可以想想,它的風暴比萬聖節風暴強幾萬倍,而比鄰星B和它的距離,又只有地球和太陽距離的1/20,這是多麼恐怖的一件事情!如果這麼恐怖的風暴直接吹到地球上,很有可能能把地球大氣層整體地剝離掉。那麼可以得出結論:在這麼多次強烈的比鄰星風暴的吹拂下,比鄰星B是一個沒有大氣,也保留不了液態水的生命荒漠。

劉慈欣所描述的三體世界真實的情況下,它確實是沒有辦法存在生命的。那麼接著就有人會提出疑問:這僅僅是離我們最近的一顆恆星而已,宇宙如此浩瀚,它怎麼可能會沒有其他生命呢?既然有其他的智能生命,我們為什麼就聯繫不到呢?

我們在宇宙中是否孤獨?

很多人一提到外星人,可能就會有浮想聯翩,一個最典型的例子,前段時間出現一則天文學界的大新聞。一些加拿大的科學家,用像絲瓜藤一樣的望遠鏡觀測太空,然後發現了13個快速射電暴。

第二個重複快速射電暴的發現

快速射電暴是什麼?這裡簡單地科普一下。快速的意思是發現這個現象的時間特別短,大概只有區區的幾毫秒。而射電是電磁波的一個波段,波長比較長,一般認為可以傳遞信息。暴,則是指它的能量特別特別大。

一個比較值得注意的事情是這13個快速射電暴,它其中有一個是重複的。也就是說這個射電暴的信號,是由同一個天體重複地發出來。所以這個事情,最早就在英國《衛報》引爆,然後傳到國內就有一篇看起來朋友圈流傳的駭人聽聞的文章。

既然是有一個重複的快速射電暴,有沒有可能是外星文明不斷地發給我們的信號呢?我現在想向大家解釋的一個最關鍵的一個事情,就是第二個重複的快速射電暴,其實恰恰說明,快速射電暴不會是外星人發出來的,這得從一個五十多年前的故事說起。

在五十年前,人類開始非常認真地研究射電這樣一個天文信號。當時一位叫貝爾的女士進入了劍橋大學的天文系,做這方面的研究。她的導師叫休伊什,他當時建立了一個很大的研究射電信號的望遠鏡的陣列。

貝爾

貝爾用這個望遠鏡觀測天體信號,發現了一個非常重要的現象。有一個天體可以周期性地不斷地向地球發射射電脈衝。這個和快速射電暴的區別是,它的能量是正常的,而且它的時間也比較長。但是能發射周期性射電脈衝這件事,在當時算是破天荒的事情。她發現第一個這樣的天體的時候,她的導師休伊什特別的興奮。因為他覺得這就是外星人,給我們發的信號,不是外星人的話,為什麼要重複性、周期性地發呢?所以他就把貝爾發現的這個天體,稱為了「小綠人」。

但是貝爾本人對此有懷疑,她覺得這個東西,好像也不是什麼大不了的事情,不見得一定要扯上外星人。如果你可以再找第二個重複不斷地向我們地球發射,射電脈衝的信號,其實就可以證明這不是外星人信號,為什麼呢?

因為我們知道外星人它的差異非常大。不可能兩個星球隔著幾十、上百萬光年,電長的一模一樣,都是「小綠人」那樣的。它肯定有很大的文化差異,所以它發射的信號也應該是千奇百怪的。但如果從兩個不同的天空的方向,都發現它們發共同的信號,這說明什麼?就說明這不應該是外星文明了,這就應該是某種天體所發出來的自然信號,所以貝爾當時就希望看看能不能找到第二個射電脈衝信號。

有一年的平安夜,她真的找到了這樣的一個疑似的第二個射電脈衝信號。當時第二天就是聖誕節,按照原來的計劃,她需要趕回她的老家和男朋友訂婚。但是當天晚上,她發現了第二個疑似的信號,然後根據這個信號,預言出這個天體,在平安夜還會向地球發射信號的時候,她就把她要訂婚的事情給忘了。深夜,她就在儀器旁邊守著,結果真讓她守到了。大概在凌晨一點的時候,她真的看到第二個天體向他們這個望遠鏡,發出了周期性的射電脈衝信號,不是射電暴。用我們《三體》中的一句話來說,這意味著什麼?這意味著在那一個時刻,宇宙中有一種人類聞所未見的天體,在向貝爾女士一個人閃耀。這個發現獲得了諾貝爾物理學獎,歷史上第一次授予天文學家。但是很遺憾的是,貝爾女士本人沒有得獎,這一直被認為是諾貝爾歷史上最大的錯誤之一。

那麼說回到我們的這個信號,在五十年前貝爾由於發現了第二個周期性的射電脈衝,所以證偽了。同樣,在五十年後的今天,我們發現了第二個重複性的快速射電暴,所以原則上,這也應該是一個證偽性的東西,而不是一個刺激大家想像的東西。那麼我們前段時間發現的所謂的重複快速射電暴,到底是不是外星人的一個回應?

宇宙是否存在外星人?

——費米悖論與宇宙大靜寂的闡釋

既然我們想探索外星人到底存不存在,尤其是他們能不能和我們發現關聯,那我們就不應該局限於一個、兩個的信號,也不該局限在離我們很近,或者離我們很遠,而應該針對全宇宙。這件事情早在半個多世紀以前,就有一個很著名的物理學家費米做過了。

費米

費米本人是一個極度傳奇的物理學家,他在三十多歲的時候就靠著理論物理的研究,獲得了諾貝爾物理學獎。他除了理論方面很強外,在實驗方面也是超級大牛,因為全世界第一個核反應堆就是他建出來的。

有一天,費米和他的同事一起去餐廳吃飯。在路上,他們就聊到了當時美國特別熱的UFO的新聞。費米突然問了一個莫名其妙的問題,就是它們都在哪兒呢?這是一個非常犀利的問題,犀利到後人把它稱為費米悖論。費米悖論其實建立了兩個假設。第一個假設:智能生命在宇宙中是普遍存在的,一點都不稀奇的。第二個假設:隨著時間的發展,一些高度發達的外星文明,它可以突破技術的限制,達到能夠在星際旅行的標準。可能大家會覺得這應該都是合理的。但是費米悖論說的是,基於這兩個看似特別合理的基本假設。但我們如果從邏輯出發就會推導出這很荒謬。接下來就用銀河系來解釋。

我們的銀河系,存在距今大概已經有一百多億年,現在的測量結果發現它的直徑大概是20萬光年,擁有上千億顆恆星。那麼如果第一個基本假設是對的,也就是說,智能生命真的在宇宙中普遍存在,那我們的這個銀河系,有可能存在著十億個有生命存在的世界。第二個假設是如果有一些智能生命能夠穿越障礙進行星際旅行,那麼我們也不用讓它像星際穿越那樣,通過黑洞旅行,我們就讓它簡單地飛,它只要能以百分之一的光速進行星際旅行,那麼我們用銀河系的直徑一除它,就可以知道,橫穿整個銀河系,也就是兩千萬年而已。這兩個假設合在一起,會有一個非常恐怖的一個推論。即使是這十億個文明世界裡,哪怕有十個世界,能夠突破技術限制進行星際旅行,那麼在一百億年的時間裡,理論上這些智能文明已經可以橫穿銀河系五千多次。

如果要是有更多的文明世界能夠達到這個標準,它就量級上的增加,這意味著什麼?就意味著如果費米悖論那兩個看似特別合理的假設都是對的,那麼我們見到外星人的幾率,會比我們見到外國人的幾率還要高。有幾個人見過外星人?都沒見過。那也就是說兩個基本假設里,至少有一個是錯的。如果第一個智能生命普遍存在的這個基本假設是錯的,那就會導出所謂的稀有地球假說。稀有地球假說說的是我們所生活的地球,其實是獨一無二的存在。為什麼呢?

稀有地球假說( 星系宜居帶/太陽質量適中/恆星宜居帶/木星保護神/月球穩定器)

因為它有很多的條件限制。比如說你所在的太陽系,離銀河系中心既不能太近,也不能太遠,否則你的生命都無法存在。那太陽的質量,既不能太大,又不小太小,因為太大,可能就變成黑洞了,太小就變成比鄰星那樣的紅矮星。第三個是說我們所在的地球,離太陽本身的距離,不能太近也不能太遠,否則你無法保證液態水。第四點是我們地球得有像木星這樣的守護神,在外面為我們擋住各種各樣的小行星或者彗星的衝擊。否則像1994年彗木相撞的那種事件,可能就變成了撞擊地球的事件。最後一個很重要的因素就是,我們的地球之所以有生命,是因為擁有月球這樣大型的衛星。如果把月球拿掉的話,我們現在每天的時間就不是24小時,而是10個小時。而且更關鍵的是,地球這樣一個自轉正常情況下,自轉軸是穩定的,它這樣繞著太陽旋轉。但如果你把月球拿掉以後,它就會變得像陀螺一樣,它的自轉軸會不斷地搖擺。自轉軸不穩,加上轉動的速度變快,會導致什麼結果呢?大家應該都看過《2012》,就是那個結果。這是第一個基本假設錯誤的結果。

如果是第二個基本假設,也就是說一些高度發達的文明,它會穿越星際進行旅行,這個假設錯了,會導致什麼結果呢?會導致另外一個稱為大過濾器假說這樣一個事件。

大過濾器假說

很多遊戲,在遊戲關卡的最後,會有一個大boss,你如果打不過這個大boss,你就被困在這個關里,就沒有辦法打到下一關。同樣的,可以把文明的進化想像成打遊戲,你必須不斷地打遊戲,不斷地進化,才可以進入下一個文明發展的階段。那麼在某個文明發展階段的最後,也是有大boss攔著,這個大boss就是所謂的大過濾器,不讓你過濾下去的那個大過濾器。你如果一直打不過它,就一直進不了下一個階段。那麼這個假說說的是,守著星際旅行的肯定是一個特別特別厲害的大boss,沒有哪個文明打得過它,都被它過濾掉了,都無法進行星際旅行。

費米悖論告訴我們,這兩個基本假設,肯定有一個是錯的,也就是說,稀有地球假說和大過濾器假說,肯定有一個是對的。不管哪個是對的,它都會導致一個共同的結果,就是宇宙大寂靜。

宇宙大寂靜

宇宙大寂靜指的是我們可以把宇宙,想像成一片浩瀚的大海。適宜智能生命居住的星球,就是浮在這個大海上的一個個零星的孤島。這些孤島相距的實在太遙遠,以至於我們沒有辦法像其它島上的智能生命問候,所以在我們看來,整個宇宙就是一個,只有我們孤獨的,沒有回音的世界。這實際上意味著,至少在我們的這樣的一個區域裡,不光是地球,也包括其它的智能文明,它們也會面臨同樣的一個困境,什麼困境?我們被困在孤島上,我們只能悄悄地產生,悄悄地生長,最終悄悄地滅絕,這就是宇宙大寂靜。

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