计算外星文明的数量

王奔

德雷克方程

寻找外星文明并非科学怪人和阴谋论者的专利，天文学家——尤其是那些聪明的天文学家——一直专注于这个领域，他们甚至创造出一个方程来计算找到外星文明的可能性。

1961年，美国天文学家弗兰克·德雷克就首先写下了德雷克方程，试图计算银河系中那些活跃的、有着发达科技并且能够与人类交流的外星文明的数量。方程如下：

N=R*×fp×ne×fl×fi×fc×L，

其中：

N代表外星文明的数量

R*代表银河系内恒星的数量

fp代表恒星系具有行星的概率

ne代表每个恒星系统中具有宜居行星的概率

fl代表宜居行星孕育出生命的概率

fi代表生命进化出智能生命的概率

fc代表智能外星文明用人类可以识别的科技手段向太空传播信息的概率

L代表在行星整个寿命中目前存在外星文明的概率

德雷克方程中的未知量分别取自天文学、地质学、生物学以及人类学，每一个未知量的存在都以前一个未知量的存在为前提，逻辑上环环相扣，算得上是一个很聪明的方程式。

德雷克方程提出后，天文学家在一段时间里对这个式子并没有太大信心。首先，式子中的未知量的代入值难以确定，20世纪60年代，天文学家甚至还不知道太阳系外的恒星是否真的拥有行星。其次，德雷克方程写在宇宙大爆炸学说被验证之前，以已经偏离天文学主流理论的恒稳态宇宙模型（恒稳态宇宙模型认为，宇宙的过去、现在和将来基本上处于同一种状态，从结构上说是恒定的，从时间上说是无始无终的）为基础，天文学家觉得R*的数值难以确定。另外，被德雷克方程所激励的“搜寻地外文明计划”——用无线电信号寻找外星人——也是泥牛入海无消息，找到外星文明的前景并不乐观。

不过，现在已经是2019年，天文学家已经了解了许多人类1961年还不曾了解的宇宙知识，他们可以修正方程中未知量的数值，相对靠谱地计算一下外星文明的数量。下面我们就来看一看天文学家最新的计算方法吧。

计算宜居的行星

1.R*：银河系内恒星的数量

今天，世界各地的天文台已经做了多次全景巡天和深巡天，天文学家可以简单地看清银河系有多长、多宽、中心的隆起有多厚，他们通过观察就能够估计出恒星的数量，自然不需要去理会宇宙大爆炸学说了。天文学家已经达成共识：银河系中恒星的数量在2000亿～4000亿之间。相差仅两倍的不确定性是可以接受的，乐观的天文学家会倾向于选用一个最大的数字——4000亿。

2.fp：恒星系具有行星的概率

在过去的20年中，借助强大的太空望远镜，新发现的系外行星像雨后春笋那样纷纷“破土而出”，比如美国航空航天局2009年发射的开普勒太空望远镜，它已经明确发现了超过130颗系外行星，还探测到3000多颗有待确认的潜在行星。这些新的发现，给予了天文学家有关银河系内系外行星数量的普查数据。根据普查结果，天文学家认为，恒星系具有行星的概率至少有80%，乐观点，fp取1也是可以的。

3.ne：恒星系统中具有宜居行星的概率

一颗正值壮年的恒星，是否能够“支撐”起一片适宜居住的生命世界呢？一颗类似于太阳的恒星——带有太阳的质量、半径和寿命——是可以做到的，人类文明的存在就是证明。但是，更大、更重的恒星可以么？有时候，太大意味着燃烧得太快，以至于恒星进入暮年时生命还没来得及出现。一颗低质量的恒星也不保险，因为小恒星可能不太稳定，它会时常闪烁，吹走行星的大气层或者发出足量的紫外线，杀死生命。

另外，天文学家还要考虑许多问题。比如，恒星系中是否有足够的重元素来支持生命活动，或者恒星在银河系中所处的位置是否安全——如果恒星靠近黑洞或者位于混乱喧嚣的银河系中心，那里就很难出现宜居世界。即便恒星的问题能够搞清楚，宜居的标准也是难以判定的——地球当然是宜居的，然而在早期的太阳系中，地球和金星、火星的自然条件其实是相似的，但后者现在肯定是一片不毛之地;外太阳系的木卫二和土卫二都带有地下海洋，可能隐藏着尚未被发现的地下生命，那么这两颗卫星应不应该被视为宜居世界呢？

所以，许多问题都是说不清的，天文学家只能做出一个保守的估计：银河系中至少1/4的恒星可以拥有一个潜在的宜居行星。

不确定的未知量

4.fl：宜居的世界能够产生生命的概率

前面的三项乘起来，天文学家得到了一个银河系中宜居行星的保守数量：1000亿——这是个不错的数字。但是，方程中后面的4项才是更大的挑战，因为这4项更加难以确定。

在所有宜居的星球上，自然界如何迈出从非生命到生命的第一步？原始生命起源于星际物质还是海洋或者大气层？对于这些问题，我们甚至还没法给出太阳系自身的答案。乐观点说，生命从宜居世界中出现的概率可能有10%，但也可能是极小的，不足百万分之一或者更糟。

天文学家可以给“fl”选择任何一个数字——另外一个随意的数字也不见得强多少。或许在未来的某一天，天文学家将有能力用望远镜技术测定各种系外行星的大气层的成分，找到甲烷、氧气和二氧化碳等生命所需的物质，但这些充其量也只是间接证据。所以，如果天文学家认为，一个潜在的宜居世界诞生生命的可能性有万分之一，这就意味着银河系中可能有1000万个生命世界存在。

5.fi：生命可以进化出智能生命的概率

定义一种生命是否智能其实是很含糊的，就连顶尖的生物学家都在争论：海豚、类人猿或者什么别的动物是否是智能的。但是，没有人会怀疑，高等生命的身体是复杂而且高度分化的，即高等生命体以宏观的多细胞的方式排列组合，形成具有不同功能和结构的器官和组织。所以，为了简化问题，生物学家可以暂且抛开智不智能的争论，先探讨一下高等生命出现的概率。

在第一个多细胞生命出现之前，“生命”这种东西已经在地球上“摸爬滚打”了20亿年。多细胞生命出现之后，又花了数亿年，生命才发展出带有性别差异的两性功能。没有这两个历史阶段，单细胞生命就不可能被淘汰，或者它们只能进化成更大的单细胞。但生命有多大的概率会在发展的过程中走出这“两步”？生物学家只有地球这唯一一个“数据实验室”。假设“fi”有千分之一的概率，那么银河系中会出现1万个存在高等生命的世界。考虑到恒星与恒星之间的平均距离，这意味着每隔几百光年，我们就能够发现一个新的“地球”。

6.fc：智能外星文明用人类可以识别的科技手段向太空传播信息的概率

乐观点，fc可以取值为1——这也不见得有多么不合理。

不足1的计算结果

7. L：在行星整个寿命中目前存在外星文明的概率

这是一个超级难回答的问题。为了让这个问题有个相对合理的突破口，我们就不要在乎外星人是否经历了第一次或者第十次科技革命，也不要在乎它们是否在战争中自我毁灭或者有入侵太空的野心。天文学家只需要关心：外星人是否像人类一样聪明。如果是的话，这就意味着它们也有科技文明。

当然，除了地球之外，没有任何外星科技文明的数据可以参考。那我们就看看地球的“L”值吧。在地球上，寒武纪大爆发距今已经5亿年，但地球上只发展出人类一种科技发达的物种，而且人类发展现代科技的时间也仅有区区几百年。假设人类按照如今的状态继续生存几千年，这就意味着地球寿命中，人类处于高科技状态的时间可以占到十万分之一。也就是说，即使银河系中有1万种会制造飞碟的外星文明，那么它们能够及时遇到人类文明的数量也只有0.1。

根据这样的计算，对于人类而言，银河系中外星文明的数量只有0.1（我们可以将其理解为10%的概率）。这个数字当然不太准确，但目前，准确计算这个问题是不可能的。

其实，人类探索外星文明的事业才刚刚起步，与其纠结于这个充满不确定性的公式，还不如积极地用科学手段去搜索太空，也许，人类很快就会有惊人的发现。