对地球1.0我们了解多少？

有一种“稀有地球假设”理论认为，高等生命的演化条件是极端严苛的，像地球这样的生命天堂有可能在银河系乃至整个可观测宇宙中都是“稀有”的。这意味着即便在所谓的地球2.0上，存在高等生命的可能性也是微乎其微的。

卢昌海

稀有地球假设

北京时间2015年7月24日凌晨，美国国家宇航局（NASA）宣布在距地球约1400光年的一颗类似于太阳的恒星周围发现了一颗名为开普勒-452b的行星。这颗被喻为地球2.0的行星有几个特点引起了人们的浓厚兴趣：首先是块头比较接近地球——直径约比地球大60%，质量为地球质量的5倍左右；其次是它处于自己恒星周围的所谓的可栖息带之内，这意味着其表面有可能存在被视为生命——尤其是高等生命——所必需的液态水。

若干年来，人们一直在致力于寻找像地球这样适合生命居住——甚至已经有生命栖居——的行星，NASA的这一发现是这种努力的一个缩影。在这种努力的背后，则是对地球这个生命天堂是如何形成的思考。在本文中，我们将介绍一种有关地球1.0的新观点，它对于全面理解类似发现地球2.0这样的新闻发布会有很大的益处。

2000年，美国古生物学家瓦德和天文学家布朗利出版了一本名为《稀有地球》的书，提出了被称为“稀有地球假设”的新估计。按照这种新估计，像地球这样的生命天堂有可能在整个银河系——甚至整个可观测宇宙——中都是“稀有”的。

稀有地球假设是如何得出这一结论的呢？我们来介绍一下其所认为的高等生命的演化所需满足的主要条件。

持续可栖息带

首先是行星的位置——具体地说，是行星离恒星的距离。这一距离直接关系到行星的表面温度，进而影响到行星表面液态水的存在与否。这一因素并不是稀有地球假设所特有的，离恒星太近的行星会太热，离恒星太远的行星会太冷，只有不近不远，处于所谓“可栖息带”中的行星的表面才可能存在液态水，这是人们早就知道的。不过，稀有地球假设对这一因素的分析有一个独特之处，那就是提出了所谓“持续可栖息带”的概念。

什么是持续可栖息带呢？顾名思义，就是在高等生命的出现所需的数十亿年的漫长演化时间之内，能“持续”使行星表面存在液态水的“可栖息带”。这一概念之所以有必要特意提出，是因为恒星本身的光度——恒星每秒钟以电磁辐射的形式所发射的能量——是随时间变化的。以我们的太阳为例，自“长大成人”——进入主序星——那会儿算起，它的光度已增加了40%左右。相应地，太阳周围可栖息带的位置则有了自内向外的推移。很明显，在这样的变化中，持续可栖息带是各个时刻可栖息带的交集，从而要比任何一个时刻的可栖息带都更狭窄。比如对太阳系来说，瓦德和布朗利采用的持续可栖息带的范围是从距太阳0.95天文单位到1.15天文单位，宽度仅0.2天文单位。由于持续可栖息带很窄，像地球这样的生命天堂显然要比原先估计的更加稀有。

可栖息带或持续可栖息带的概念不仅适用于恒星的周围。星系被认为也是有持续可栖息带的。比如星系的核心区域由于星球密度太高，诸如近距离超新星爆发之类会对生命演化造成灭顶之灾的突发事件的发生频率将大为增加；星系的外围则因为重元素的相对稀缺，无法提供生命所需的原材料，都被认为是不利于高等生命出现的。因此，在星系中就像在恒星周围一样，只有距离中心不近不远的区域才是有可能出现高等生命的。这就是所谓星系的持续可栖息带，它的存在进一步增加了生命天堂的稀有性。

恒星的大小

高等生命所需的数十亿年的漫长演化对恒星本身也提出了不低的要求。恒星天文学上有一个基本事实，那就是恒星越大，寿命——确切地说是主序星生涯的寿命——越短。比如一个质量比太阳大50%的恒星的寿命只有35亿年左右（太阳的约为100亿年），一个质量5倍于太阳的恒星的寿命更是只有不足2亿年。因此，在大质量恒星中，只有质量比太阳略大的才有可能提供出现高等生命所需的数十亿年的漫长演化时间。

另一方面，小质量恒星虽有“长寿基因”，却也有自己的麻烦，因为它们的持续可栖息带离它们较近，但近到一定程度之后，持续可栖息带内的行星就会因为受到恒星引力潮汐的影响，而出现与恒星之间的“潮汐锁定”现象。这种现象一旦出现，行星将始终以同一面朝向太阳，使那一面无可避免地出现酷热、另一面则无可避免地陷入严寒，季节、昼夜等变化则全都消失，这被认为是不利于生物存在，更遑论高等生命的出现的。因此，大有大的问题，小有小的麻烦，在所有恒星之中，只有像太阳这样“中不溜秋”的恒星才是适合“抚育”高等生命的，这是让生命天堂稀有的又一个因素。

对气候的苛求

高等生命所需的数十亿年的漫长演化同时也是对行星气候的严苛要求。拿地球来说，在她所经历的数十亿年的漫长时间里，比如今很多人所担心的有可能在几十或几百年内造成不可逆危害的温室效应剧烈得多的气候变化比比皆是，更不用说哪怕极细微的变化，经足够长时间的累积后也完全有可能造成不可逆的危害——比如导致液态水的完全丧失。在地球的历史上，所有这些气候变化全都化险为夷了，才有了今天生命天堂的盛景。这种维持数十亿年的细致平衡也被认为是高度稀有的。

说到了气候，自然也得说说“气”，即大气层。一个行星要想长期保住一个足够浓密的大气层，本身也是有条件的，比如质量不能太小，否则引力太弱，哪怕一度有过大气层，也会像穷汉保不住美貌妻子一样慢慢因气体分子的逃逸而丧失。另一方面，按我们如今对行星的理解，当它的质量大到一定程度后，又会因引力太强而在吸积过程中自然而然地变成气态巨行星，那被认为也是不适合高等生命的。因此，高等生命的出现要求行星的质量“不大不小”。

把这些有关恒星和行星的条件综合起来看，炼成像地球这样的生命天堂确实是很不容易的。但这还不是故事的全部，因为稀有地球假设还引进了一些初看起来并不重要，甚至跟高等生命的出现风马牛不相及的因素。

月球与木星

比如以地球为例，月球就是这样一个因素。稀有地球假设的支持者们提出：月球的存在对于维持地球自转轴的稳定有着重要影响，因为一些天文学家的模拟计算表明，倘若没有月球，地球自转轴与公转轨道平面的夹角将难以维持稳定，而将在从0°到85°甚至90°的大范围内变动。这不仅将破坏四季变化的稳定，破坏生物对季节的适应，而且还有更严重的后果。因为当夹角接近90°时，地球几乎是“躺倒”着自转的，当自转轴指向太阳时，几乎整个北半球都将经历长达数月的连续白天，南半球则相反，是长达数月的连续黑夜，起码就陆地气候而言，这将导致一边酷热、一边严寒的局面。当自转轴背向太阳时，则南北互换，但同样是一边酷热，一边严寒。这种极端气候将对生物——尤其是陆地生物——的生存和演化造成严重困难。

更严苛的是，月球之所以能对地球自转轴的稳定起到重要影响，是因为它异乎寻常地大——事实上，它是太阳系卫星之中相对于行星而言最大的。不仅如此，按照目前最流行的观点，月球乃是起源于地球演化早期——约45亿年前——的一次超级碰撞，碰撞的双方一方是正在成长中的原地球，另一方是一个差不多有火星那么大的超级“陨石”。如此规模的碰撞，并由此而产生如此巨大的卫星是相当稀有的。假如高等生物的出现有赖于行星自转轴的稳定，而后者又有赖于稀有碰撞产生的巨大卫星，它本身自然也就相当稀有了。

除月球外，稀有地球假设的支持者们还把目光盯到了木星上，认为这个行星“老大哥”对地球上的高等生命起到了近乎“保护神”的作用。因为对地球生命的最大威胁之一乃是大质量陨星的撞击，假如那样的灭绝事件过于频繁，需要数十亿年漫长演化的高等生命就很可能没有机会产生。而木星的巨大引力场被认为能够相当有效地扫清太阳系空间里的陨石，从而保护了地球上的生命演化。

奇妙的是，木星的这种保护还不能太过分，即不能离地球太近，否则不仅有可能干扰地球公转轨道的稳定（从而直接影响到地球表面温度的稳定），甚至还可能造成更严重的后果：阻止地球的形成！因为木星的巨大引力场有可能抢夺掉形成地球所需的“原材料”，使地球成为一个小得多的行星（从而既不会有磁场，也保不住大气层），甚至像木星近旁的小行星带那样根本凝聚不成单一的行星。

不无争议的假设

毫无疑问，稀有地球假设所描绘的图景对于偏好《星球大战》和《星际迷航》那样到处有智慧生物的科幻迷们来说是颇为黯淡的。这个图景究竟有几分可信呢？现在还很难回答。因为在目前这个阶段，别说高等生命，在地球以外哪怕原始生物都尚未被发现，因此起码从直接证据的角度讲稀有地球假设所涉及的乃是一个空白领域，甚至在可预见的将来都有可能维持空白。

不过，从理论上讲还是大有探讨余地的。事实上，对稀有地球假设的每一个推理环节，都有科学家提出了异议。接下来，我们就按照与上文相同的顺序，对稀有地球假设所考虑的每个因素逐一介绍异议。通过这种介绍，我们不但可以对稀有地球假设有更多了解，还可以看到科学并不仅仅是一系列定律或定理的集合，而是包含了大量争议。科学是在争议中寻找前行道路的。

首先来看看持续可栖息带这一概念。这一概念当然是不无道理的，出现高等生命所需要的长期稳定的环境确实要求行星长期处于可栖息带之中。但持续可栖息带的范围有多大却是有争议的问题。以太阳系中的持续可栖息带为例，一些新近研究已经对它的范围作出了修正，使它的宽度从原先的0.2天文单位增加到了0.45天文单位，比太阳系四颗类地行星的不到0.4天文单位的平均间距还大。在这种情况下，太阳系四颗类地行星全都位于持续可栖息带之外反倒是稀有了。虽然我们对其他恒星周围的行星分布还了解得很少，但越来越多太阳系以外的行星被发现，已使得人们越来越不认为太阳系具有特异性，从而其他恒星周围有类地行星落在持续可栖息带内也未必稀有。

针对持续可栖息带的这种异议是有一定代表性的，它虽然不能排除稀有地球假设所考虑的因素，却显示出那因素并非真正稀有。接下来我们还将反复看到这种类型的异议。

星系的持续可栖息带就是这种异议的又一个例子。虽然这方面的分析同样不无道理，但在星系这种巨大尺度上，哪怕笼统看起来不适合高等生命的区域，也完全可以局部地具备出现高等生命的条件，因此星系的持续可栖息带是并不严格的。退一步说，即便把星系的持续可栖息带以外的区域严格排除掉，也并不构成一个很稀有的因素，因为剩下的区域仍包含了10%左右的恒星。类似地，恒星大小方面的限制也不是一个很稀有的因素，据估计，满足限制的恒星约有20%，从而也并不很稀有。

行星气候方面的因素又如何呢？维持数十亿年的细致平衡听起来确实严苛，实际上却也有不那么严苛的可能性。最关键的一点是：假如行星气候的变化存在负反馈机制，则情形就会大不相同。因为负反馈机制会自动对气候变化进行反向校正，可以大大降低失控的概率。这种负反馈机制没什么理由认为是地球特有的，则长期稳定的气候也就未必有想象的那么稀有了。

至于作为气候之源的大气层所要求的行星质量的“不大不小”，则显然是又一个并不真正稀有的因素——因为在太阳系的四颗类地行星里，保有浓密大气层的行星除地球外就还有金星，两者合计占了类地行星数目的50%。

风马牛不相及

最后，那些貌似跟高等生命的出现风马牛不相及，但被稀有地球假设引进来的因素经过另一些天文学家的研究，也显示出它们有可能确实就是“风马牛不相及”的东西。

比如月球，它对于维持地球自转轴的稳定确实是有作用的，但被稀有地球假设忽视的是：这种作用是跟地球的自转快慢有关的。模拟计算表明，假如地球的自转周期不是现在的24小时左右，而是12小时或更短，那么哪怕没有月球，自转轴方向的变化范围也会小得多。更“吊诡”的是，从某种意义上讲，地球的自转原本确实是更快的，是被月球的引力摄动拖了后腿才变慢的，依照变慢的趋势反推回去，在距今25亿-40亿年前的太古代，地球的自转周期本就在12小时左右。假如月球从那时起就不曾存在过，地球的自转周期将维持在12小时左右，本来也不太需要月球来维持自转轴的稳定。更何况，就算地球自转轴的方向果真在大范围内变化，是否就一定不能出现高等生命，本身也是不无争议的。

再谈谈木星，这个被稀有地球假设抬到“保护神”位置上的行星“老大哥”按另一些天文学家的看法，其实有一些“成事不足，败事有余”的意味。比如距今约6,500万年前的恐龙灭绝事件被认为很可能是陨星撞击地球造成的，那陨星来自何方呢？有人认为是来自小行星带。对此，木星是脱不了干系的，它的引力摄动被认为是使小行星脱离原先轨道与地球相撞的“幕后推手”。不仅如此，作为风险源的整个小行星带的存在都很可能是木星的巨大引力造成的。从这个意义上讲，木星在充当“保护神”的同时，很可能也是地球上很多灾变事件的肇事者，它的功过和作用是很难一概而论的。

小样本问题

如果小结一下的话，那么稀有地球假设可以说是反复而系统地使用了“择坏原则”——这是我杜撰的术语，指的是在所有可能性中优先选择不利的可能性。这是比我们常用的“折中原则”更不可靠的做法，因为在不得不作出概率性挑选的因素中，一般来说是“中间”的概率较大，两端——无论是“坏”端还是“好”端——的概率较小，“择坏原则”是系统性地择取了概率较小的选项，可以说是相当靠不住的。

另外，稀有地球假设还有另一个很大的系统性缺陷，那就是迄今为止关于生命我们只有一个“样本”，那就是地球上的生命。

任何学过统计的人都知道，依据小样本进行推理是鲁莽的。比如我们若从未见过水生生物，也许很难想象有些生物居然可以待在水下而不会像我们一样被淹死。当然，地球生物的多样性使我们知道生物既可以生活在水里，也可以生活在陆地上，因此不会有这个思维死角，但地球生物虽然多样，却都是在适应地球环境的过程中繁衍出来的，把这种多样性放在浩瀚的宇宙中算不算得上足够“多样”？恐怕不是一个容易回答的问题。