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　　第十章费米悖论

　　外星人都上那边去了

　　意大利裔美国物理学家，也是诺贝尔奖得主的恩里科·费米对于量子力学与原子物理有很多紧张贡献。他在1940年代早期创建第一座核子反应炉，亦即芝加哥一号反应堆（ChicagoPile-1）；两种根本粒子的此中一种以他的名字定名，即“费米子”（另一种是玻色子）；乃至有一种长度单位叫做“费米”，也是以他为名，是极其微小的“飞米”的别称，便是1毫米的一兆分之一，是核物理与粒子物理常用的标准单位。但本章所要讨论的，是费米于1950年提出的一个题目，与他的次原子物理研究没有任何关联。它是最深刻也是最紧张的一则悖论，因此我保存到末了一章来探究。

　　费米提出的闻名题目来自某一次午餐时间与几位同事的对话，当时他正在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实行室举行夏季访问，那边也是原子弹以及曼哈顿筹划的故乡。他们之间的交谈围绕着有关飞碟的轻松话题，以及飞碟是否大概高出光速飞行，从迢遥的星系来到地球。费米悖论的叙述如下：

　　宇宙的汗青云云漫长，幅员云云广阔，光是银河系就有数千亿颗恒星之多，此中很多恒星拥有各自的行星体系。因此，除非地球具有蕴育生命的条件而独具一格，否则宇宙中应该到处可见具有高度聪明文明的雷同星球，此中的很多文明大概已发展出太空技能，而且已经造访过我们。

　　那么，他们毕竟到哪儿去了呢？

　　费米以为，假如太阳系并非唯一包罗一个以上得当居住行星的星系，对于其他任何稍具扩张野心以及完备太空技能的外星文明而言，显然有充裕的时间完成整个星系的殖民任务。他与同事共同估计，任何族类要到达此一目标约需耗时1000万年。只管这看起来好像是一段漫长的时间，而且只是个稍嫌大抵的估计，然而要留意的是，这段过程只占了整个星系年龄的一小部分（在本例中约占1‰）——别忘了智人（Homosapiens）仅存在20万年左右。这则悖论可以简化为以下两个题目：

　　●假如生命并不特别，那么其他外星生命毕竟在那边？

　　●假如生命非常特别，那么为什么宇宙微调得云云恰到长处，让生命只出如今地球上？

　　假如我们星球上的生命在最恶劣的环境中也能繁衍茁壮，为什么在其他类地行星上不会发生雷同的事？大概题目不在于生命出现之后的繁衍，而是生命怎样产生。在探究这则悖论及相干议题是否已被科学家破解之前，我们先大抵欣赏一下最常被想到的解答。

　　1.外星生物简直存在，而且已经造访过我们。由于我们并没有公道证据支持幽浮爱好者和诡计论者天马行空的抱负，基于这个合法来由，我会打扫这个选项。不外很多人仍旧信托外星人已经乘着飞碟抵达，岂论在数千年前短停息顿，制作金字塔之后再度拜别，大概至今仍停顿在地球上，绑架无辜受害者举行古怪的实行。

　　2.外星生物存在于某处，但尚未与我们打仗。我们可以想出很多高等外星文明为何不让我们发现其存在的来由。比方说，大概他们不盼望向星系的别处散播存在的讯息（不像我们人类），大概他们并不筹划搭理我们，直到我们的科技够进步，具备参加银河系俱乐部的资格为止。这固然是假设全部外星文明的思考逻辑都与我们很相近。

　　3.我们探索的方式不对。50年来我们不停在监听来自外层空间的讯号，迄今仍未侦测到任何讯息。但大概我们并没有朝向太空的精确地区探索或调解到精确的频率；否则就是信号与讯息已经送达地球，但我们尚未乐成解码。

　　4.别处的生命正不绝消散。我们大概不明白地球上的生物何其荣幸。其他恒星体系里得当孕育生命的行星，大概得定期遭受各种毁灭性的行星、恒星或星系变乱，诸如冰河时期、陨石或彗星的撞击、巨大的恒星闪焰或伽玛射线爆等。在此类变乱频仍发生之处，生命没有充足的时间演化出有聪明、有本领举行太空之旅的物种。不外环境也大概相反，其他星球上的环境过于舒服，他们无需履历大规模灭尽；这类灭尽过程被以为是生物多样性的推手，由演化中诞生出聪明。

　　5.自我毁灭。有人以为宇宙中的全部聪明生物将不可克制地自我毁灭，岂论是由于战役、疾病或对居住环境的粉碎，发生的时间点约莫在科技进步到可以或许举行太空观光时。假如属实，这对我们而言将是一记警钟。

　　6.外星人着实太……怪异了。我们很轻易假设外星人与我们相近，拥有我们想象得到的将来科技。有很好的来由支持这种想法，由于各种生命都必须依照物理定律并受其规范，不外也有大概我们根本无从假想与我们截然差别的聪明生物。固然，我的意思并不是指他们的长相都像影戏中的ET一样，而是我们倾向于假设他们也是碳基（carbon-based）生物，拥有肢体与眼睛，而且透过声波相互沟通。

　　7.我们确实独自存在于宇宙中。大概生命发生所需的须要条件非常有数，只出如今少数几处地方，而地球是唯一孕育出可以或许驾御大天然的聪明生命的星球，人类能向宇宙发送本身存在的讯息。大概地球真的是唯逐一个有生命的地方。

　　以上全部大概性都只是料想，此中多半是没有根据的臆测。费米个人的观点则是，纵然聪明生命极有大概存在于银河系的其他地方，但由于星际路程之远与耗时之久，在光速的限定下，没有任何文明以为值得费时费力来造访我们。

　　费米没有思量到的是，纵然技能先辈的外星人从来没有离开过他们的星球，我们大概依然可以或许发现他们的存在。毕竟我们已经向外层空间宣告我们的存在长达一世纪之久。从我们利用无线电和电视向天下各地播送讯息开始，这些信号就不停外泄到太空中。大概有某个数十光年外的外星文明，可巧将他们的电波望远镜指向我们的太阳，进而吸取到很多薄弱而复杂的微波信号，这些信号正是围绕太阳的此中一个行星上具有生命的迹象。

　　假设同一套物理定律放诸宇宙各处皆准，而电磁波是宇宙中转达讯息最简单也最通用的方法之一，我们便可预期其他科技发达的文明，在其发展过程中的某阶段也会采取这种通讯方式。一旦云云，他们的信号也会外泄到太空中，以光速在星系内传播。20世纪的天文学家们很快地便开始认真思量利用新建的无线电波望远镜监听太空信号的可行性。这种对于外星聪明生物的严谨探索，是从某个人开始的。

　　德雷克及其方程式

　　第一位真正的ET猎人是天文学家弗兰克·德雷克，他任职于西维吉尼亚州绿堤的国家电波天文台。他在1960年举行了一项实行，透过监听无线电频段的电磁波信号来探求迢遥恒星体系的生命迹象。这个筹划称为奥兹玛（Ozma），取材自弗兰克·鲍姆所著的儿童读物中，翡翠国统治者奥兹玛公主的名字。

　　德雷克将他的无线电波望远镜指向太阳系附近两个类日恒星，鲸鱼座τ（TauCeti）和波江座ε（EpsilonEridani），分别间隔地球12光年和10光年，两者看起来都是大概拥有适居行星的公道候选恒星。他调解碟盘天线撷取某特定频率的无线电波信号——由宇宙中最轻、最简单、也最丰富的元素“氢”所产生的特别电磁辐射，也是任何外星文明揭破本身存在最大概的选择。他记录数据并细致查抄，试图从配景噪音中找出任何夹带的故意义信号。他每天记录数小时，但连续记录数个月的数据颠末比对之后却一无所获，除了来自一架高空飞过的飞机所发出的信号之外。但是德雷克并不灰心，他始终以为，这个过程就像买乐透彩券一样，只有在手气好得出奇的环境下才会得到某些发现。不屈不挠的德雷克来年预备了第一次的SETI（SearchforextraterrestrialIntelligence，地外文明征采筹划）集会会议，约请了据他所知当时大概对这个议题感到爱好的全部科学家（共计12人）。为了专注地举行研究，他提出一条数学方程式，用来盘算地球上侦测得到无线电波信号的银河系内文明总数（N）。他将其他7个数字相乘，算出这个数量。这个如今以他定名的方程式如下：

　　N=R*×fp×ne×fl×fi×fc×L

　　这很轻易表明。我将逐一先容每个符号代表的意义，而且在括号内附上德雷克举行初次盘算时所假定的数值，云云一来读者便可以得知他怎样算出末了的数量。第一个符号R*代表银河系中每年新星形成的均匀数量（德雷克假设这个数值是每年10颗）。下一个fp代表这些恒星拥有行星体系的比例（0.5）；ne是每个太阳系拥有得当生命环境的行星数量（2）；fl、fi、fc则分别代表这些行星上真的出现生命的比例（1）、孕育生命的行星中出现聪明生命的比例（0.5）、这些文明的科技发展到能向外层空间发送信号的比例（1）。末了，L则代表这些文明连续向宇宙发送可侦测信号的时间长度（1万年）。将这7个数字相乘之后，德雷克得出N=50,000的答案。这是一个令人印象深刻的数字，足以凸显费米悖论的紧张性。

　　但这数字的可信度怎样呢？答案固然是一点也不可信。纵然这7个数值就足以代表我们非知道不可的统统，得出的值也不外是个概略的推测。前三个因子R*、fp、ne的数值在半世纪前仍不清朗，如今由于天文学与望远镜技能的盼望，已变得较为确定，尤其迩来连续发现很多太阳系以外的行星（即太阳系系生手星，extrasolarplanets）之后。

　　接下来的三个因子，则攸关具备通讯本领的智能生命出现的概率。这三者都是介于0（完全不大概）和1（肯定发生）之间的恣意值。德雷克利用了一些极为乐观的数值。他笃信，假如在类地行星上也有得当生命存活的条件，那么生命的出现将无可克制（fl=1）；生命一旦出现，有一半的机遇将演化出聪明生物（fi=0.5）；果真云云，这个聪明族类肯定会发展出电磁波相干技能，并将电磁波送进太空（fc=1），无论他们是否刻意发送某种讯息。

　　不外这些数值只是顺道一提罢了。德雷克方程式所做的，远比估算银河系表里星文明的数量来得紧张。它揭开全天下征采来自太空信号的序幕，至今仍连续举行。

　　SETI

　　SETI是全天下多年来积极探求外星讯号的很多筹划的总称。自从科学家相识怎样发送和吸取电磁波信号开始，我们就开始谛听来自宇宙的潜伏讯息，最早乃至可追溯到19世纪末叶。

　　1899年，生于塞尔维亚的电机工程师兼发明家尼古拉·特斯拉在其科罗拉多泉的实行室里，运用他新开辟的高感度无线电吸取器研究狂风雨所产生的大气电学。过程中他监测到连续串发出一、二、三、四次哔哔声的薄弱数字信号。他笃信这些信号来自火星。他在1901年担当杂志专访时，回想本身当时的冲动：

　　当我忽然间意会，这些观察到的征象大概对人类产生无可估量的结果，我永久无法忘记那一刹时的冲动……我的第一个观测结果着实把我吓坏了，此中有一些秘密的，乃至是超天然的东西。当晚我独自待在实行室里……﹝电波信号﹞规律地出现，带着数字与次序的明白迹象，而我却无法为这些信号找到任何已知的成因……一段时间之后，脑海中擦过一个想法：我所观察到的干扰，很大概是出自某种聪明生物之手。[1]

　　固然特斯拉的评论招来广泛的品评，但他所侦测到的信号之谜仍未解开。

　　针对大概来自地外智能生物的无线电波信号，1924年美国的一项短期筹划初次举行严谨的探究。当时广泛信托，最大概存在外星文明的星球是我们的邻人火星；假如火星人筹划跟我们通讯，他们会在这两颗行星最靠近的时候举行。这会发生于地球穿越火星与太阳之间的时间，称之为“冲”（opposition）。这个征象有一次发生于1924年8月21日至23日之间，这时间的火星是数千年来最靠近地球的一次（这个记录在2003年8月冲破，接下来在2287年还会再度冲破）。当时人们以为，假如真的有火星人，他们会利用这次大靠近的机遇将信号传送到地球。美国水师非常认真地对待这个观点，为此推行了一个“天下无线电静默日”，要叱责国各地全部电台在火星通过的36小时内，每逢整点关闭5分钟。位于华盛顿的美国水师天文台，则在一艘上升到1万英尺高的飞船中安装一部无线电吸取器，全美各地的全部水师无线电台也奉命监控是否出现任何非常的电波。但他们所听到的只有一片沉寂，以及那些未服从无线电静默日的私家广播电台所发出的信号。

　　在德雷克的原始筹划之后，SETI活动才算真正风起云涌，而且将征采范围扩大到太阳系以外。以下阐明能使读者相识电波望远镜已将监听范围扩展至多远。德雷克在1960年监测的两颗恒星约莫在十光年以外，约是火星到地球之间间隔的200万倍。这有点像你把一只杯子贴在你的墙上想偷听邻人的交谈，却什么也没听到，于是你决定在伦敦偷听纽约的对话。最关键的部分，显然在于决定电波望远镜毕竟要指向那边。

　　加州的SETI研究机构（SETIInstitute）创建于1984年，数年后开始实行“凤凰”筹划，由天文学家吉儿·塔特主导，她也是卡尔·萨根的小说《打仗将来》主角的灵感泉源。1995至2004年间，凤凰筹划利用位于澳洲、美国与波多黎各的电波望远镜，观测间隔地球200光年以内的800个类日恒星。他们什么也没找到，但这个筹划为研究外星生命创建起极有代价的信息泉源。塔特与天文学家同事玛格丽特·特恩布尔相助，将大概拥有足以蕴育生命行星体系的相近恒星（称为“适居恒星”，habstars——habitablestars）分门别类，这个目次被称为“适居恒星表”（HabCat），如今已包罗高出17000颗恒星，此中大部分间隔地球数百光年以内，并拥有得当的条件和特性，使他们成为大概拥有类地行星围绕运行的候选恒星。

　　2001年，微软连合创办人保罗·艾伦同意资助SETI设立无线电波望远镜数组的首期制作工程，称为艾伦望远镜数组（或ATA）。这个兴建工程仍在旧金山东北方几百英里处连续举行中。竣工后，350个直径6米的无线电吸取碟盘将同时运作。第一阶段工程在2007年完成，共有43具天线开始运作。但由于当局删减研究经费，这个筹划在2011年初临时中断。不久之后，一个新创建的社群团体开始寻求私家赞助，以便重启该筹划。数千大众慷慨解囊提供捐助，此中包罗影戏明星茱蒂·福斯特，她在改编自卡尔·萨根小说的好来坞影戏《打仗将来》中扮演吉儿·塔特。这统统都让我感到窝心而满意。

　　如今探求ET的活动毫无放弃的迹象，反而变得更加热络。克制如今为止，我们只在电磁波频谱中有限的范围内，细致观测了几千颗恒星。ATA筹划探索远达1000光年内的100万颗恒星，搜刮的频率范围也更广。德雷克当初决定观察星际氢元素产生的14.2亿赫兹（1.42GHz）电波，这是个明智的选择。我们的天空非常吵杂，布满来自各处的无线电波，包罗银河系噪音、带电粒子穿过地球磁场产生的噪音，以及宇宙形成之初遗留下来的微波配景辐射。ATA所监测的频率范围介于10亿到100亿赫兹（1~10GHz），称之为“微波窗口”，是电磁波谱当中特别安静的区段，非常适实用于探索地外生物的信号。

　　比年来，严谨的学术研究重要偏重于征采大概孕育出聪明生命的类地行星，而非聪明生命的迹象。时至本日，太阳系生手星的征采还是科学研究中最热门的范畴之一。

　　系生手星

　　我信托我不是唯逐一个对于太阳系生手星（简称系生手星）的征采与研究感到格外高兴的人。观察与研究恒星是一回事，从恒星所发出的光当中，我们可以或许得到很多关于其构成及运行方式的信息。但研究行星则是另一件事，它们不但远小于恒星，而且只能反射主星的光，其亮度乃至比最暗的恒星还暗百万倍。因此，我们只能以间接的方式推断它们的存在。最常用的方式是所谓的“凌日法”（transitmethod），也就是当行星颠末恒星火线时，会使恒星亮度略降的征象。另一种方式，则是观察行星的引力对于质量大很多的主星所造成的影响，主星会产生轻微的摆动。这种征象可以由恒星朝向或阔别我们活动时，其光谱所产生的频率变革（亦即多普勒偏移）中观测到，大概直接丈量其位置变革亦可。

　　让天文学家们特别感爱好的是一些类地行星，它们像地球一样由固态岩石构成，拥有和地球相近的重力，而且与主星的间隔适中，水能以液态存在于星球外貌，使得它们具有繁衍生命的潜力。克制我撰稿为止，我们已经发现了700颗左右的太阳系生手星。不外，这个数据很大概会急剧增长。2009年，美国航天总署的开普勒任务发射一艘宇宙飞船，上面载了发现系生手星所需的仪器。2011年2月，开普勒研究小组公开一份包罗了1235颗大概的太阳系生手星名单，此中有54颗行星好像落在适居带，当中尚有6颗行星与地球巨细雷同或雷同。

　　据估计，银河系中至少有500亿颗行星，此中至少有1％（也就是5亿颗）落在适居带。别的一种方法则估计这种得当居住的类地行星统共高达20亿颗以上，此中的3万颗间隔地球1000光年以内。

　　克制如今为止，有两颗已证明落在适居带的系生手星特别引起科学界瞩目，并不是由于它们出现任何支持生命存在的证据，而是由于它们大概是最靠近地球的“适居带行星”（Goldilocksplanets）。它们拥有得当生命存在的条件，既不太热，也不太冷，就像童话故事中熊宝宝的麦片粥一样。第一颗行星叫做格利泽581d（Gliese581d），绕着格利泽581红矮星运转，位于间隔地球20光年的天秤座中。这颗行星名字末了的字母d，表现它是被发现绕此恒星公转的第三颗行星（每一颗恒星的行星都是按照字母次序由b开始定名，恒星本身则是A）。格利泽581d行星的巨细是地球的5倍以上，近来的气候仿真研究表现，它拥有稳固的大气层，星球外貌有液体水。别的还发现其他几个大概得当居住的行星也围绕着这颗恒星运行，不外尚有待确认。

　　第二颗候选行星是HD85512b，围绕恒星HD85512公转——这么定名是由于它被收录在亨利·德雷柏的恒星目次中。它位于间隔我们36光年的船帆座中，是至今发现最小的适居带系生手星之一，如今被以为是最有大概存在外星生命的行星。它的巨细约为地球4倍，外貌重力为地球的1.5倍，大气顶层温度估计为25℃，地表上的温度未知，但大概高上不少。它的1年（也就是围绕主星1周所需的时间）只有54天。

　　更令人高兴的是，2011年年底，开普勒任务公布第一个确认存在的系生手星开普勒22b（Kepler22b），相较于格利泽581以及HD85512这两颗恒星与地球的间隔，固然其主星间隔地球更迢遥（将近600光年），但它非常雷同我们的太阳（G型主序星）。开端估计开普勒22b的直径约为地球数倍大，不外它毕竟多大还不确定；我们也还无法确认它是否像地球一样是颗岩石行星，或是雷同木星和土星的气体行星。假如确定是由岩石构成，那么很大概在它外貌会有液态水；而它以适中的间隔围绕着一颗雷同太阳的恒星公转，使它成为可以或许孕育生命的潜伏候选行星。

　　我们是否能在短期内找到以上全部题目的解答，这点仍值得商讨，但我们在短时间内已经在系生手星的研究上得到丰硕的结果，而新发现仍将继承纷至沓来。

　　我们有多么特别

　　固然，得当生物生存的行星很紧张，不外最大的题目是：在得当的条件下，其他星球有多大的机遇能孕育出生命？要答复这个题目，我们得相识地球上的生命是怎样开始的。

　　我们的星球布满了植物、动物及细菌等生物。很多物种好像能在最恶劣的环境中茁壮发展，特别是微生物——从极冷到极热，岂论有没有阳光。生命的多样性，加上生命好像在初生的地球冷却下来不久之后随即欣欣向荣，从这些环境来看，生命的出现并不是很困难的一件事。但这个观点是否精确呢？我们如今知道，宇宙他处（大概更确切地说，在太阳系里的别处）至少存在着得当细菌生存的环境条件，因此我们可以公道预期，生命大概已经在其他星球上出现。可单就我们所居住的地球而言，它有多特别呢？

　　地球离太阳的间隔恰到长处，不会太热，也不会太冷。巨大的木星在地球轨道之外围绕太阳运转，这也对地球有益，由于木星就像掩护弱小的大哥，它强大的重力吸引了很多在太空中游荡的碎片，防止它们抵达地球轨道撞上我们。地球的大气非常紧张，不但由于它提供我们呼吸所需的氛围（毕竟生命在地球大气含有氧气之前就出现了），而是由于它与电磁辐射产生交互作用。在可见光下大气是透明的，但它会吸取一部分的红外光（热），岂论在它（从太阳发出）进入大气层或离开大气层（地表辐射）的过程中皆然。这种“温室效应”使大气变暖，让水能以液态情势存在于地表上，比起冰或水蒸气，液态的水对于孕育生命更有利。

　　我们的玉轮也极为紧张。它的引力使地球的自转稳固下来，让地球拥有稳固的气候以供生命繁衍；而在玉轮围绕地球运行的过程中对地函产生的潮汐力，大概资助地函升温并使地球产生磁场，特别在数十亿年前当它间隔地球比如今更近的时间。这个磁场进一步掩护我们的行星免受太阳风的吹袭，否则地球的大气将会被太阳风吹入太空中。

　　即便是板块活动这类过程也不可或缺，由于它们资助采取稳固大气温度所需的碳，而且增补地表上生物所需的养分；它们大概也有助于地球磁场的形成。

　　大概，我们的行星真的非常特别。这是否就意味着生命的诞生乃是肯定的结果？一旦生命出现并由演化机制接办，生命就会自行探求出路，但真正的课题在于怎样跨出第一步。

　　一样平常以为地球上第一种生物是单细胞的原核生物（prokaryotes，一种没有细胞核的简单生物体），出如今距今约35亿年前。这些生物有大概是由原生体（protobionts）演化而来；原生体是被一层膜包住的有机分子聚集体，具有繁衍与代谢的本领，而这正是生命的两个关键特性。

　　我们还不知道的是，哪些一系列的变乱使得如氨基酸（形成卵白质所必须）与核苷酸（我们的DNA构成单位）这些有机分子连合成第一个“繁殖体”。“生命怎样开始”是科学上最紧张的题目之一，被称为无生源论（abiogenesis）。很多人将“生源论”（biogenesis，生命只能由其他生命产生的理论）与“无生源论”（生命由无机物质诞生的天然过程，即化学怎样变化成生物学）等量齐观。无生源论的研究是为了找出一样平常称之为“天然发生”（spontaneousgeneration）的神奇步调，也就是将无生命的物质转化为生命的过程。

　　有人以为，地球上生命的天然发生是极度有数的，就好像一阵强风吹过垃圾场之后，从该处的质料中可巧造出一架完备的大型喷射客机。这些人以为，这就是有机分子可巧精确地组合在一起形成最简单生命型态的概率，简直是某种不可思议的偶合。这个类比得当吗？

　　芝加哥大学的史坦利·米勒和哈罗德·尤瑞在1953年举行了一项闻名的实行，试图解答这个题目。他们想看看是否能在试管中由根本因素创造出生命。他们将水与三种气体肴杂，分别是氨、甲烷和氢，以为这种组合与地球早期的大气因素符合，并加热使其汽化。接着他们透过两个电极产生火花，模仿地球大气层中的闪电，再将蒸汽冷凝。颠末一个星期不绝重复这个过程后，他们发现有机化合物开始形成，包罗对生命不可或缺的氨基酸在内，它们在活体细胞中会依特定次序构成卵白质。但完备的复杂卵白质在实行中并未出现，也没有发现另一种生命的关键因素核酸（比方DNA和RNA）。

　　只管这个开端布满盼望，但在这个紧张实行举行高出半世纪以来，科学家却尚未创造出人造生命。生命自发产生的大概性真的这么微小吗？我们知道它至少发生过一次，我们的存在就是最好的证明；然而有个风趣的题目是，现今地球上的全部生命是否源自单一先人？假如不是的话，就意味着生命的天然发生不但出现一次，也大概不如我们所想的那么特别。

　　近来一项备受争议的研究好像挑衅了这种想法。它是关于在加州某个奇怪的戈壁湖中所发现的“GFAJ-1菌株”（这证明微生物学家在为其发现定名时，与天文学家一样缺乏想象力）。莫诺湖约形成于100万年前，其化学构成非常不平常。它的咸度是海洋的两到三倍，含有氯化物、碳酸盐和硫酸盐，具强碱性，pH值是10。固然湖里没有鱼，湖水的化学因素却令它成为某种单细胞藻类以及数以兆计微小盐水虾的抱负栖息地。每年当中有几个月的时间，有数以百万计的候鸟在此聚集，这些盐水虾恰好成为候鸟的主食。喔，对了，湖中还含有丰富的砷。

　　以费利莎·沃尔夫-西蒙为首的一支NASA（美国航天总署）生物学家对微小的GFAJ-1细菌产生爱好，它好像可以或许摄取砷维生——这件事前所未见，由于砷是一种对其他全部生命具有毒性的元素。我们知道地球上的生命有各种差别的元素，但DNA本身仅由五种因素构成：碳，氢，氮，氧和磷。题目在于，它们是否能被其他化学性子相似的元素所代替。砷在周期表中位于磷的下方，具有相似的原子布局。NASA的研究职员知道，GFAJ-1对砷有耐受性，他们也知道莫诺湖中磷的含量很少。于是他们把它放在富含砷的养分中作育，结果它继承发展，即便养分中的磷完全被移除。细胞复制时必要创建新DNA的原始素材，在缺乏五种关键因素之一的环境下，这些生物是怎样活下来的？

　　这支研究团队在2010年底发表他们的研究结果，随即在环球科学界引起一阵风暴。他们声称，GFAJ-1究竟大将其DNA布局中的磷换成了砷。假如这是真的，那么我们正面对一个意义庞大的题目：这些微生物是透过演化而得到代谢砷的本领，还是它们源自另一个独立的无生源变乱？假如是后者，我们就知道生命大概源自两个差别的环境，它大概不那么有数。

　　我们仍旧不知道地球上的生命是怎样开始的。纵然有朝一日我们可以或许答复这个题目，聪明生命出现的大概性有多大，又是另一个未解的谜。毕竟有大概生命征象出如今银河系的很多地方，但聪明生物却仅存在于一处。

　　针对乌鸦举动的近期研究表现，这种禽鸟循着与人类完全差别的演化路径，演化出相称出色的聪明。假如真的云云，聪明大概是达尔文演化论的肯定结果。这个题目以及其他议题（比方数十亿年前单细胞生物怎样演化为多细胞生物）将告诉我们，从无生源论到人类出现，两者之间漫长演化进程中的很多紧张步调，是否能在宇宙别处发生。

　　人本原理

　　有一个比费米悖论更深刻的题目，我得在本章竣事条件一下。关于这个题目的探究之前只范围于哲学界，近几年则进入主流物理学的范畴。题目核心是一个叫做“人本原理”的概念，探究我们的宇宙（至少在我们所处的小角落）有多么微小的概率，恰好微调到云云得当人类生存。当代版本的论点由澳洲宇宙学家布兰登·卡特于1973年在一场庆贺哥白尼诞生500周年的科学集会会议中提出并加以分析，该集会会议在波兰举行。卡特的叙述如下：“我们成为观察者所需的须要条件，肯定会限定预期观察到的统统。固然我们不肯定身处于宇宙中心，但在某个程度上无疑占据了某种特别职位。”在这种场合提出如许的想法特别引人注目，由于哥白尼正是第一位提出人类在宇宙中并未占据特别职位的科学家。卡特却在此提出，整个宇宙之以是看起来像如今的样貌，是由于一旦宇宙有些微差别，我们将不复存在。

　　让我从我的专业范畴核物理学出发，提供读者一个例子。天然界四大根本作用力的此中一种是强核力，这种力能将原子核连合起来。两个氢原子核（只有一个质子）无法连合在一起，由于强核力的强度还不敷以做到这件事。但它的强度却足以使一个质子和一个中子连合，产生氘（即“重氢”原子的原子核）。这种原子核在氢变化成氦的核融合反应过程中扮演关键性的脚色；这个反应点燃全部的恒星，并为我们提供孕育生命的太阳光与热。假如强核力稍稍变强一点呢？它的强度有大概足以连合两个质子，让氢转换成氦的过程变得轻易很多。果真云云的话，宇宙中全部的氢将在大爆炸发生后随即斲丧殆尽。没有氢，就不会与氧连合成水，因此（据我们所知）就没有孕育出生命的机遇。

　　人本原理好像指出，我们的存在决定了宇宙的某些特性，由于一旦产生些微的差别，我们大概就不会出如今这里问这些题目。不外，这点真的有这么值得讨论吗？假如宇宙真的变得不一样，大概我们（岂论“我们”指的是什么）也会依照那些条件所答应的方式演化，而且仍旧会问：为什么宇宙微调得这么刚好？思考这个题目的方法之一就是问本身：你是怎么来的？你的父母相遇并生下你的概率毕竟有多高？他们的父母生下他们的概率又有多少？不停推演下去。我们每个人都在漫长的连续串偶发变乱的此中一端，另一端可以不停回溯到生命本身的劈头。只要此中任何一个环节出了不对，你就不会存在。假如乐意，你可以思考人本原理怎么运用到你身上；但比起中乐透的人思考他何以云云好运，思考这件事并没有更故意义。假如开出的不是他的号码，还是有别人中奖，而且他大概也会思考不可思议的好运从何而来。

　　卡特的论点厥后被称为弱人本原理。除此之外尚有能人本原理，指出宇宙非得成为如今的样貌不可，好让聪明生物能在某个时间点于某处诞生，以便对其存在提出质疑。这个版本有些微差别，带有更多臆测性子，我个人以为是无稽之谈。它赋予宇宙某种目标性，而且宣称为了我们的诞生，宇宙借由某种方式迫使本身出现如今的样貌。这种论点乃至衍生出复杂的量子力学版本，足以和薛定谔的猫悖论“具故意识的观察者”的解答相提并论——由于我们对宇宙的观测，使宇宙的已往开始存在。在全部大概出现的宇宙当中，我们“选择”了能让我们存活于此中的那一个。

　　有个更简单的方法能资助我们办理人本原理的困难——假如我们担当多重宇宙的多元性。假如每一种大概的宇宙都存在，那么发现本身生存在一个对我们而言恰到长处的宇宙，一点都不奇怪。

　　让我们回到开头的地方，也就是费米所提出关于太空安静得出奇的题目，来为本章做个总结。这个对我们而言微调得恰到长处的宇宙，对于与我们相去不远的其他生命情势来说，也会是个微调得恰到长处的宇宙。广大宇宙中数以亿计的星系意味着着，岂论地球有多么特别或孕育出生命的机遇多么眇小，宇宙某处仍极大概也有生命存在。但大概，我们只是独自生存在银河系的小角落里。

　　为什么我们依然继承探求外星生命，只管有大概只是白费力气？由于我们不绝寻求关于存在这个根本题目的答案。生命是什么？我们是独一无二的吗？身为人类的意义是什么，我们在宇宙中又处于什么职位？纵然我们找不到这些题目的答案，我们仍会连续提出如许的题目。

　　[1]原注：出自《与行星交谈》（TalkingwiththePlanets），《科里尔周刊》（Collier'sWeekly），1901年2月19日，第4至5页。

　　第十一章悬而未决的题目

　　粒子能移动得比光速快吗？我们是否拥有自由意志？以及其他未解之谜……

　　盼望读者们都认同，我们已经乐成地挑衅并破解最值得探究的9大科学悖论。我们已经驱逐了精灵，救济了猫和祖父，制止了孪生兄妹之间的辩论，与夜晚的星空握手言和，而且改正了希腊人芝诺。但你大概会猜疑，我特意选择已被科学美满破解的悖论，刻意略过其他悬而未解的困难，由于解答尚未找到。没错。我们的宇宙依然布满奥秘，令人着迷不已。

　　这些未解的困难与奥秘都属于三大类题目的此中一类（或数类）：科学即将厘清与办理的题目；科学有朝一日（大概在长远的将来）盼望能办理的题目；以及科学大概无法解答的哲学或形上学题目，其缘故起因包罗高出科学的范畴，大概我们无论怎样都想不出探究题目的方法，遑论提出令人满意的解答。

　　在本书末端，我只筹划将一些待解的题目分门别类，而非巨细靡遗地报告这些题目。要夸大的是，以下题目的排序并非依照我个人以为它们多快能得到办理；别的，这份清单也是我个人极为主观的选择，既不具全面性，亦不范围于造成悖论的题目与迷惑。我之以是把它们列出来，是为了凸显宇宙尚有多少课题有待我们研究，以及我们如今的进度毕竟到那边。

　　起首列出属于第一类的10个题目。预期在我有生之年，科学将会找到满意解答：

　　1.宇宙中的物质（matter）为何比反物质（antimatter）多得多？

　　2.暗物质（darkmatter）是由什么构成？

　　3.暗能量（darkenergy）毕竟是什么？

　　4.有大概打造出全功能的隐形斗篷吗？

　　5.“化学自我聚合”（chemicalself-assembly）在生命的形成上扮演多大的脚色？

　　6.有机分子长链怎样折迭成卵白质？

　　7.人类的寿命长度是否有个绝对上限？

　　8.影象如安在大脑中储存与撷取？

　　9.我们是否有朝一日将具备猜测地动的本领？

　　10.传统硅芯片的运算极限在哪？

　　接下来是10个我信托科学终将办理的题目，但不确定是否能在我的有生之年实现：

　　1.粒子是否真的由微小的、振动的弦所构成？大概弦论不外是一种聪明的数学罢了？

　　2.大爆炸之前的宇宙有什么？

　　3.隐蔽维度（hiddendimensions）真的存在吗？

　　4.大脑由那边产买卖识？怎样产买卖识？

　　5.呆板能具故意识吗？

　　6.返回已往的韶光观光是否大概发生？

　　7.宇宙是什么外形？

　　8.黑洞的另一头有什么？

　　9.是否有比量子的诡异特性更根本的物理原理？

　　10.有没有大概举行人体的量子瞬移传送？

　　末了则是很多人以为属于科学范畴，但我以为科学恐怕无法答复的题目：

　　1.我们是否拥有自由意志？

　　2.平行宇宙真的存在吗？

　　3.造成宇宙出现并存在的缘故起因是什么？

　　4.毕竟是我们发明数学来形貌宇宙，抑或是物理方程式原来就存在，只等着我们去发现呢？

　　比光还快吗

　　在末了一章竣事之前，我想提供读者一个很多人以为是潜伏悖论的范例——假如近期的某个实行结果可信的话。克制本书撰稿时为止，粒子物理学界有两个悬而未解的谜，它们成为2011年环球皆知的头条消息，而日内瓦CERN（欧洲核子研究机构）的粒子加快器举行中的实行正计划办理它们。第一个题目是，粒子是否能跑得比光速快；第二个则是难以捉摸的希格斯玻色子是否真的存在，这种粒子带给宇宙万物各自的质量。至截稿为止，这两个题目的答案仍旧没有定论，都必要更进一步的实行确认。为了让这本书不至于一下子就过期，我冒险猜测了这两个题目的解答：希格斯玻色子的存在将会在2012年炎天得到证明，而名为微中子的次原子粒子将会被确认以略低于光速行进。不外万一我的猜测堕落，届时请不要来找我算账。[1]

　　上述的两个庞大消息分别是：备受争议的“某些微中子能行进得比光速快”，以及开端发现希格斯粒子的存在。而前者较符合我们对于科学悖论的界说。

　　克制如今为止，故事是如许的：瑞士的CERN实行室及意大利的格兰沙索国家实行室举行一项相助研究，丈量行经两个实行室之间微中子束的转达速率，这条454英里的直线路径穿过地表下的坚固岩石。这些微中子之以是能像穿越太空一样穿过地球进步，是由于它们险些不会与任何物质产生交互作用。究竟上，如今正有数以兆计的微中子（此中多数由太阳产生）正穿过你的身材，而你却浑然不觉。

　　这个名为OPERA（“乳胶寻迹仪微中子震荡筹划”的缩写：OscillationProjectwithEmulsion-tRackingApparatus）的相助筹划，其核心是一部座落于格兰沙索的大型精密仪器，可以或许捕获到极小部分这种难以侦测粒子的轨迹。2011年9月，参加研究的科学家公布，他们记录到由CERN发射出来的微中子，抵达时间比光提早了一兆分之60秒。这个速率固然只比光快上一点点，但仍旧不可思议。

　　根据我们对物理定律的相识，没有任何物体能快过光速。不外根据我的履历，在爱因斯坦的相对论中，最令一样平常人难以担当的部分正是这个宇宙速限。自从爱因斯坦于1905年发表他的理论以来，已经有数以千计的实行结果确认其精确性。不但云云，当代物理体系的美好绝大部分创建在相对论的底子上。重点不在于光有多么特别，而在于这个速限与时空布局合而为一。

　　但假如爱因斯坦错了呢？该怎么表明OPERA的发现？科学理论存在的目标乃是为了成为箭靶，让新的实行证据证明其范围性，而且用更正确、涵盖范围更广的理论取而代之。不外，石破天惊的主张必要石破天惊的证据支持，而OPERA的科学家是第一批承认不知道为什么会出现这种结果的人，他们无法从他们的实行细节中挑出任何弊端。

　　在媒体放肆渲染爱因斯坦出了不对之后，戏剧性的迁移转变出现了。另一项也在格兰沙索举行、名为ICARUS的对手实行，也捕获到一小部分来自CERN的微中子，但这个实行丈量的是它们所携带的能量，而非行经这段间隔所耗的时间。在OPERA的开端结果公布之后，随即有理论物理学家指出，假如微中子真的逾越光速，那么它们将会一起释出辐射，不绝丧失能量。假如它们没有丧失能量，就有如飞机突破音障却不产生音爆一样奇怪；这是不大概的。

　　ICARUS实行的科学家公布，他们并未发现任何关于微中子开释出这种辐射的证据，抵达的微中子所具有的能量与发射时雷同。因此，这种粒子大概并未行进得比光还快。

　　重点在于，相对于OPERA证明爱因斯坦的错误，ICARUS并未能更加有力地证明爱因斯坦的精确性。两者都是实行量测的结果，而非“发现”。必须由其他实行室独立举行一项新的实行，才华适本地举行验证。我信托，新的实行将会证明光速仍旧保持天下记录的职位。

　　不外，假如微中子真的比光还快，我会满心欢乐。这个发现一旦证明，将成为全天下物理学家的乐土。各人会举行脑力荡漾，整个黑板写满方程式，而诺贝尔奖将是办理微中子悖论的新爱因斯坦的瓮中鳖。

　　[1]本章中的两大未解题目都已经尘土落定，后续盼望如下：

　　1.关于OPERA实行所侦测到的微中子速率非常征象，该实行团队在2012年2月发现GPS吸取器到OPERA主定时器之间的线路毗连不良，导致丈量到的微中子抵达时间提早了。修正此一偏差后，根据OPERA于2012年7月公布的最闭幕果，微中子速率并未高出光速。

　　2.CERN已于2012年7月4日正式公布，确认希格斯玻色子的存在。作者在文中对于这两个题目解答的猜测都是对的。

　　(全书完)