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王爽:我们究竟是不是宇宙中的孤岛
发布时间:2019-04-14
 


王爽:我们究竟是不是宇宙中的孤岛


王爽,中山大学物理与天文学院副教授,博士生导师,多年致力于宇宙学方面的研究,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还热衷科普,是知名科普博主,科普作家,新近出版著作《宇宙奥德赛:漫步太阳系》《给孩子讲宇宙》《给孩子讲相对论》。

三体世界是否真实存在?

我们的旅程要从一位非常有名的作家——刘慈欣说起。他是中国最著名的科幻作家,曾经在2015年拿到了雨果奖,2016年拿到了轨迹奖,2018年的时候,拿到了克拉克奖。


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刘慈欣

他之所以能取得这么多的荣誉,一个非常重要的因素就是他写出了一个把中国的科幻提升到世界级水平的重要作品——《三体》。提到《三体》,很多的网友都会有一个疑问:三体本身是不是真的存在?它到底是刘慈欣的一个纯粹幻想,还是说在我们的真实世界,有与之对应的物体?答案其实是后者,也就是说,在我们真实的世界里,真的有三体世界的原型。


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半人马座α(南门二)

在刘慈欣的原著里,其实已经说得非常清楚,三体世界离我们大概有四光年。上图就为大家展示了离我们太阳系最近的一些恒星的系统。确实在离我们四光年的地方,有一个由三颗恒星所构成的系统,半人马座α,我们中国古人管它叫南门二。那么我们来认识一下,这三颗恒星。

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上面这张图片就为大家展示了这三颗恒星它们与太阳的大小的对比。最左边的这个恒星,就是我们的太阳,右边一点的,叫做半人马座αA星,再右边一点是B星,最右边的,是离我们最近的一颗小恒星,它叫比邻星。大家可以从这个图看到,半人马座A星和B星其实都跟太阳差不多大小,但是比邻星,其实远远小于太阳,它其实是另外一种类型的恒星,称为红矮星,它发出的光,也远远弱于太阳,大概也就是万分之一的量级,这就是真实存在的三体世界。

我们已经知道三体世界本是存在的,但三体世界的这三个恒星是不可能存在生命的,如果真的想要有生命的话,它必须是居住在行星之上。那么第二个问题自然就是,三体世界是否拥有行星?这个答案也是肯定的。

2016年,著名的《自然》杂志上发表了一篇文章,这篇文章的主要研究单位是欧洲南方台,他们做了一个叫做暗淡红点计划的科研项目,致力于在比邻星周围,寻找行星,结果是他们真的找到了。


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暗淡红点计划

最关键的事情是什么?这颗被称为比邻星B的行星,它离比邻星的位置特别的合适,合适到能让比邻星B的温度,恰好允许液态水的存在,也就是说三体人的故乡,其实就像我们地球一样,是有液态水可以存在。

三体人真的存在吗?

那么三体人真的存在吗?很遗憾的事情是,这回答案是否定的,我们上述提到的比邻星B,其实是一个非常典型的不毛之地,一个生命的荒漠。为什么这么讲呢?


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比邻星B

从大家比较熟悉的我们太阳系的现象说起。太阳系其实最主要的天体就是太阳,因为它是万物能量的源泉,这就意味着太阳本身的变动,对于我们地球生命的变动,会非常重要。但是太阳它本身,不是一个非常稳定的恒星,它处于剧烈运动的状态。

最关键的是,太阳可以发出太阳风暴,太阳风暴主要有两部分的内容,一个就是所谓的太阳耀斑,也就是说太阳表面,有一块区域,它所发出来的电磁波会急剧的增强。另一个是日冕物质抛射,就是太阳它可以把它表层的物体,抛到太空里,而它抛向的这个方向,有可能就会朝向地球,那么它抛过来的这个物体,就是所谓的太阳风,即一些高能的带电粒子流。


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太阳风暴

那么这对我们地球会有什么影响呢?正常情况下它其实没有太多影响,因为我们有一个,防御太阳风的屏障,就是所谓的地球磁场。太阳风是带电粒子流,它进入地球磁场以后,会在磁场的作用下发生偏转,所以这些带电粒子流都被偏转到地球的两极地区了。这些带电粒子流和两极地区的大气发生摩擦发生相互作用,就形成了我们大家熟悉的美丽的极光,这也是为什么正常情况下,我们只有在地球的两极地区,才能看到极光。


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太阳风暴冲击地球后的磁场偏移

但是太阳风暴是有可能大幅加强的,我们目前所知道的,有记录的最强的太阳风暴,发生在2003年,也就是非典的时候。当时在万圣节前后的那两三个月里,太阳风暴发生了急剧的增强,大家看下图,正常情况下,极光是只能出现在两极地区,但是大家可以看这个地图,在那段时期,包括亚洲大陆、欧洲大陆,很多的地方都出现了极光。有些人会问:这不是好事吗?的确很漂亮,但是这其实会对地球造成明显的影响。


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万圣节太阳风暴(2003)

举个例子,位于地球轨道上的那些卫星,不像地球本身有磁场守护,在比较空间高的地方,地球的磁场守护就没有那么强,所以如果有很强的太阳风暴,它就会对通讯卫星造成很严重的干扰。在万圣节大风暴的时候,其实地球上空大概一大半的各种卫星,都处于无法工作的状态。不止如此,在太阳风暴足够强的时候,它其实是可以穿越地球磁场,直接打到地表。


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上图,展示的就是美国德克萨斯州,在那段时期的一个电网事故。就是太阳风暴带电粒子流打到德州的电网上,造成了他们电网的故障。

了解了太阳风暴的概念后,我们就可以来进一步解释,为什么比邻星B没有办法存在生命?因为比邻星虽然看起来好像是一个不怎么发光的,不起眼的红矮星,但是它是一个所谓的耀星。


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比邻星B是一颗耀星

耀星能够产生特别特别强的太阳风暴,强到什么状态呢?比我们刚才说到的万圣节大风暴,还要强几万倍。大家可以想想,它的风暴比万圣节风暴强几万倍,而比邻星B和它的距离,又只有地球和太阳距离的1/20,这是多么恐怖的一件事情!如果这么恐怖的风暴直接吹到地球上,很有可能能把地球大气层整体地剥离掉。那么可以得出结论:在这么多次强烈的比邻星风暴的吹拂下,比邻星B是一个没有大气,也保留不了液态水的生命荒漠。

刘慈欣所描述的三体世界真实的情况下,它确实是没有办法存在生命的。那么接着就有人会提出疑问:这仅仅是离我们最近的一颗恒星而已,宇宙如此浩瀚,它怎么可能会没有其他生命呢?既然有其他的智能生命,我们为什么就联系不到呢?

我们在宇宙中是否孤独?

很多人一提到外星人,可能就会有浮想联翩,一个最典型的例子,前段时间出现一则天文学界的大新闻。一些加拿大的科学家,用像丝瓜藤一样的望远镜观测太空,然后发现了13个快速射电暴。


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第二个重复快速射电暴的发现

快速射电暴是什么?这里简单地科普一下。快速的意思是发现这个现象的时间特别短,大概只有区区的几毫秒。而射电是电磁波的一个波段,波长比较长,一般认为可以传递信息。暴,则是指它的能量特别特别大。

一个比较值得注意的事情是这13个快速射电暴,它其中有一个是重复的。也就是说这个射电暴的信号,是由同一个天体重复地发出来。所以这个事情,最早就在英国《卫报》引爆,然后传到国内就有一篇看起来朋友圈流传的骇人听闻的文章。


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既然是有一个重复的快速射电暴,有没有可能是外星文明不断地发给我们的信号呢?我现在想向大家解释的一个最关键的一个事情,就是第二个重复的快速射电暴,其实恰恰说明,快速射电暴不会是外星人发出来的,这得从一个五十多年前的故事说起。

在五十年前,人类开始非常认真地研究射电这样一个天文信号。当时一位叫贝尔的女士进入了剑桥大学的天文系,做这方面的研究。她的导师叫休伊什,他当时建立了一个很大的研究射电信号的望远镜的阵列。


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贝尔

贝尔用这个望远镜观测天体信号,发现了一个非常重要的现象。有一个天体可以周期性地不断地向地球发射射电脉冲。这个和快速射电暴的区别是,它的能量是正常的,而且它的时间也比较长。但是能发射周期性射电脉冲这件事,在当时算是破天荒的事情。她发现第一个这样的天体的时候,她的导师休伊什特别的兴奋。因为他觉得这就是外星人,给我们发的信号,不是外星人的话,为什么要重复性、周期性地发呢?所以他就把贝尔发现的这个天体,称为了“小绿人”。


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但是贝尔本人对此有怀疑,她觉得这个东西,好像也不是什么大不了的事情,不见得一定要扯上外星人。如果你可以再找第二个重复不断地向我们地球发射,射电脉冲的信号,其实就可以证明这不是外星人信号,为什么呢?

因为我们知道外星人它的差异非常大。不可能两个星球隔着几十、上百万光年,电长的一模一样,都是“小绿人”那样的。它肯定有很大的文化差异,所以它发射的信号也应该是千奇百怪的。但如果从两个不同的天空的方向,都发现它们发共同的信号,这说明什么?就说明这不应该是外星文明了,这就应该是某种天体所发出来的自然信号,所以贝尔当时就希望看看能不能找到第二个射电脉冲信号。

有一年的平安夜,她真的找到了这样的一个疑似的第二个射电脉冲信号。当时第二天就是圣诞节,按照原来的计划,她需要赶回她的老家和男朋友订婚。但是当天晚上,她发现了第二个疑似的信号,然后根据这个信号,预言出这个天体,在平安夜还会向地球发射信号的时候,她就把她要订婚的事情给忘了。深夜,她就在仪器旁边守着,结果真让她守到了。大概在凌晨一点的时候,她真的看到第二个天体向他们这个望远镜,发出了周期性的射电脉冲信号,不是射电暴。用我们《三体》中的一句话来说,这意味着什么?这意味着在那一个时刻,宇宙中有一种人类闻所未见的天体,在向贝尔女士一个人闪耀。这个发现获得了诺贝尔物理学奖,历史上第一次授予天文学家。但是很遗憾的是,贝尔女士本人没有得奖,这一直被认为是诺贝尔历史上最大的错误之一。

那么说回到我们的这个信号,在五十年前贝尔由于发现了第二个周期性的射电脉冲,所以证伪了。同样,在五十年后的今天,我们发现了第二个重复性的快速射电暴,所以原则上,这也应该是一个证伪性的东西,而不是一个刺激大家想象的东西。那么我们前段时间发现的所谓的重复快速射电暴,到底是不是外星人的一个回应?

宇宙是否存在外星人?

——费米悖论与宇宙大静寂的阐释

既然我们想探索外星人到底存不存在,尤其是他们能不能和我们发现关联,那我们就不应该局限于一个、两个的信号,也不该局限在离我们很近,或者离我们很远,而应该针对全宇宙。这件事情早在半个多世纪以前,就有一个很著名的物理学家费米做过了。


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费米

费米本人是一个极度传奇的物理学家,他在三十多岁的时候就靠着理论物理的研究,获得了诺贝尔物理学奖。他除了理论方面很强外,在实验方面也是超级大牛,因为全世界第一个核反应堆就是他建出来的。

有一天,费米和他的同事一起去餐厅吃饭。在路上,他们就聊到了当时美国特别热的UFO的新闻。费米突然问了一个莫名其妙的问题,就是它们都在哪儿呢?这是一个非常犀利的问题,犀利到后人把它称为费米悖论。费米悖论其实建立了两个假设。第一个假设:智能生命在宇宙中是普遍存在的,一点都不稀奇的。第二个假设:随着时间的发展,一些高度发达的外星文明,它可以突破技术的限制,达到能够在星际旅行的标准。可能大家会觉得这应该都是合理的。但是费米悖论说的是,基于这两个看似特别合理的基本假设。但我们如果从逻辑出发就会推导出这很荒谬。接下来就用银河系来解释。


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我们的银河系,存在距今大概已经有一百多亿年,现在的测量结果发现它的直径大概是20万光年,拥有上千亿颗恒星。那么如果第一个基本假设是对的,也就是说,智能生命真的在宇宙中普遍存在,那我们的这个银河系,有可能存在着十亿个有生命存在的世界。第二个假设是如果有一些智能生命能够穿越障碍进行星际旅行,那么我们也不用让它像星际穿越那样,通过黑洞旅行,我们就让它简单地飞,它只要能以百分之一的光速进行星际旅行,那么我们用银河系的直径一除它,就可以知道,横穿整个银河系,也就是两千万年而已。这两个假设合在一起,会有一个非常恐怖的一个推论。即使是这十亿个文明世界里,哪怕有十个世界,能够突破技术限制进行星际旅行,那么在一百亿年的时间里,理论上这些智能文明已经可以横穿银河系五千多次。


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如果要是有更多的文明世界能够达到这个标准,它就量级上的增加,这意味着什么?就意味着如果费米悖论那两个看似特别合理的假设都是对的,那么我们见到外星人的几率,会比我们见到外国人的几率还要高。有几个人见过外星人?都没见过。那也就是说两个基本假设里,至少有一个是错的。如果第一个智能生命普遍存在的这个基本假设是错的,那就会导出所谓的稀有地球假说。稀有地球假说说的是我们所生活的地球,其实是独一无二的存在。为什么呢?


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稀有地球假说( 星系宜居带/太阳质量适中/恒星宜居带/木星保护神/月球稳定器)

因为它有很多的条件限制。比如说你所在的太阳系,离银河系中心既不能太近,也不能太远,否则你的生命都无法存在。那太阳的质量,既不能太大,又不小太小,因为太大,可能就变成黑洞了,太小就变成比邻星那样的红矮星。第三个是说我们所在的地球,离太阳本身的距离,不能太近也不能太远,否则你无法保证液态水。第四点是我们地球得有像木星这样的守护神,在外面为我们挡住各种各样的小行星或者彗星的冲击。否则像1994年彗木相撞的那种事件,可能就变成了撞击地球的事件。最后一个很重要的因素就是,我们的地球之所以有生命,是因为拥有月球这样大型的卫星。如果把月球拿掉的话,我们现在每天的时间就不是24小时,而是10个小时。而且更关键的是,地球这样一个自转正常情况下,自转轴是稳定的,它这样绕着太阳旋转。但如果你把月球拿掉以后,它就会变得像陀螺一样,它的自转轴会不断地摇摆。自转轴不稳,加上转动的速度变快,会导致什么结果呢?大家应该都看过《2012》,就是那个结果。这是第一个基本假设错误的结果。

如果是第二个基本假设,也就是说一些高度发达的文明,它会穿越星际进行旅行,这个假设错了,会导致什么结果呢?会导致另外一个称为大过滤器假说这样一个事件。


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大过滤器假说

很多游戏,在游戏关卡的最后,会有一个大boss,你如果打不过这个大boss,你就被困在这个关里,就没有办法打到下一关。同样的,可以把文明的进化想象成打游戏,你必须不断地打游戏,不断地进化,才可以进入下一个文明发展的阶段。那么在某个文明发展阶段的最后,也是有大boss拦着,这个大boss就是所谓的大过滤器,不让你过滤下去的那个大过滤器。你如果一直打不过它,就一直进不了下一个阶段。那么这个假说说的是,守着星际旅行的肯定是一个特别特别厉害的大boss,没有哪个文明打得过它,都被它过滤掉了,都无法进行星际旅行。

费米悖论告诉我们,这两个基本假设,肯定有一个是错的,也就是说,稀有地球假说和大过滤器假说,肯定有一个是对的。不管哪个是对的,它都会导致一个共同的结果,就是宇宙大寂静。


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宇宙大寂静

宇宙大寂静指的是我们可以把宇宙,想象成一片浩瀚的大海。适宜智能生命居住的星球,就是浮在这个大海上的一个个零星的孤岛。这些孤岛相距的实在太遥远,以至于我们没有办法像其它岛上的智能生命问候,所以在我们看来,整个宇宙就是一个,只有我们孤独的,没有回音的世界。这实际上意味着,至少在我们的这样的一个区域里,不光是地球,也包括其它的智能文明,它们也会面临同样的一个困境,什么困境?我们被困在孤岛上,我们只能悄悄地产生,悄悄地生长,最终悄悄地灭绝,这就是宇宙大寂静。


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本期编导:沈爽

编辑:ERIC、二丫、蒙小度