書里書外的外星人？

書里書外的外星人？蝌蚪五線譜|2015年03月24日閱讀(11612)古語云：書中自有顏如玉，書中自有黃金屋，自瑪麗·雪萊的《弗蘭肯斯坦》以來，在眾多的科幻影視和小說中出現過形形色色的外星人，這些外星人或高或矮，或善或惡，有的帶著外星科技來攻佔地球，有的則帶著大使來與地球締結友好，那麼現實中究竟有沒有發現過外星人？科學家是如何尋找外星人的？如果我們的宇宙真的有外星人會是什麼形態呢？

「外星人」中的「外星」二字主要泛指地球之外的星球，距離我們近一些的比如月球或者火星，遠一些的可以是幾百光年之外的星球。從哥白尼的「日心說」開始，隨著數學和天體物理學的發展，人類已經意識到宇宙是多麼的宏大，於是科學家開始思考在其他數以億萬計的星球上有沒有生命呢？望遠鏡技術經過多年的發展和普及，更多的科學家開始用大大小小的望遠鏡對準夜空里的萬千星辰，望遠鏡可以算作人類發現外星人的第一個途徑。歷史上，人類對月球人和火星人都有濃厚的興趣，就拿月球來說，我們只是用肉眼就能看到月球上的各種紋路和圖案，古時候的人們憑此以為那裡有人居住，然後就有了類似中國神話傳說中的嫦娥和玉兔。至於火星，就要提到19世紀末義大利天文學家夏帕雷利對火星的觀測。在把望遠鏡對準火星數個年頭之後，夏帕雷利有了「重大發現」，他發現目鏡里的紅色星球上有細細的條紋，於是認為這是火星上的水道或者說河道，慢慢地這個消息在圈子裡傳開來，天文學家和天文迷們開始興奮，因為他們覺得發現了火星運河，既然有火星運河，也就會有火星人。在隨後的發現火星人熱潮中，有諸多真真假假的發現，但是距離真正確定火星人是否存在的證據還很遙遠，不過這卻催生了一些列的文學作品，比如著名的科幻作家威爾斯的《世界之戰》（War of the world）。小說講述了火星人是如何入侵地球，地球軍隊被打得哭爹喊娘，最後卻被地球微生物擊敗的故事。這本小說屢次被改編排成電視劇、電影，風靡世界，最近一次被搬上大熒幕是斯皮格伯爾版的《世界大戰》，著名男星湯姆·克魯斯主演，有興趣的可以找來看一看。

隨著望遠鏡技術的進步和發展，光學望遠鏡的口徑越來越大，觀測到的星空越來越清晰，但是光學望遠鏡在地球上觀測會受到自轉和大氣層的影響，因此後來科學家們發明其他類型的望遠鏡。20世紀的上半頁人類發現光也是一種電磁波，更為奇妙的是科學家發現宇宙中的天體除了會發出人眼可以看到的可見光之外，還會發出大量的人眼不可見的光或者說電磁波，有了這兩個前提條件，射電望遠鏡出現了。可能一般人對射電望遠鏡沒什麼概念，從字面上很難明白這是個什麼樣的望遠鏡。舉個比較通俗的例子，大家應該都使用過收音機，收音機是收集各頻段的電磁波然後轉換成聲音，我們就能聽各種各樣的節目了。幾乎是同樣的原理，射電望遠鏡可以理解成一個超級收音機，用來收集來自宇宙星體發射的各種各樣電磁波，然後轉換成人類眼睛可見的圖像和能聽到的聲音，所以說射電望遠鏡並沒有傳統望遠鏡的鏡頭，並不能「看」，而是來「收聽」星體。射線望遠鏡的模樣就像一口大鍋，詳情見下圖，我想大家對這個東西應該都不陌生吧。

各種觀測利器準備好了之後，我們開始尋找地外生命。外星人在哪裡呢？跟你我一樣，外星人也應該有自己的「家」，總不能像魔術師從帽子里變出的兔子一樣來去無蹤？而且也不會從近乎真空的宇宙空間里直接蹦出來，就目前人類掌握的知識來說，大部分科學家認為生命適合生存在距離恆星適中的行星上。這裡我想提一下自己的看法，個人認為宇宙這麼大，智慧生命不一定都是類人的物種，而且誰有能肯定恆星上沒有生命呢，的確恆星上溫度太高環境太過惡劣，但是要證明一個星球沒有生命是十分困難的，宇宙中存在的智慧生命的形式可能超乎人類的想像，畢竟我們只探索了宇宙中極小極小的一部分空間。科幻小說《盲視》就給我們描述了一種不同的生命，有興趣的朋友可以找來看看。我們準備了這麼多不同類型的望遠鏡，真的會有地外生命嗎？如果我們是孤獨的，這不是瞎折騰了嗎？在沒有找到外星人之前誰都不能肯定有地外生命，但宇宙幾乎無限的空間讓人震撼，也給了眾多生命同時存在的空間。根據人類各種手段觀測到的數據估算，宇宙中星系的數量至少有1000億個，就拿地球來說，我們地球所在的太陽系只不過是銀河系中一個很小的、非常普通的恆星系，銀河系內有1500億顆恆星，那麼就算只有百分之一的恆星有自己的行星，每顆恆星有3顆，這樣一算，至少存在45億顆行星，但擁有行星的恆星遠超這一比例。這45億顆行星有百分之一是由實體岩石的類地行星，其中如果再有百分之一的行星適合人類居住，大概會有45萬顆行星在恆星系的宜居帶上，符合這些條件的行星就有可能發展成數萬個地外文明。上邊的數據還只是銀河系，那麼算上我們能觀測到的星系，1000億乘以45萬就可以得出這個宇宙究竟有多少事宜人類物種居住的星球了。現在你相信有地外生命了嗎？

有這麼一句話：存在即合理。人類出現在這個宇宙就已經說明這個宇宙擁有智慧生命的概率大於零，既然如此，科學家大都認為也會有其他生命就不是一個虛假命題，人類不是特殊的，也不是唯一的。好了，數據方面就說到這裡，我們繼續討論如何尋找適宜人類居住的行星。世界範圍內的科學家尋找地外生命和類地行星的想法都差不多，基本要求有適合生命生存的環境，即行星表面有適合生命存在的穩定的大氣，溫度適宜，需要有水。乍一看要求並不高，但尋找起來仍然十分困難。有一句老話說：眼見為實。如果我們都看不到，科學家們怎麼讓大眾怎麼相信自己的理論呢？總不能說因為太陽系有行星存在，其他恆星應該都有行星吧。所以需要在望遠鏡里看到科學家所尋找到的行星的模樣，或者說處於恆星系中宜居帶的行星的真實圖像，但是這對於光學望遠鏡來說太難了。如果拿天文望遠鏡對太陽經行觀測，必不可少的一個物鏡濾鏡就是巴德膜，通俗來講因為太陽太「亮」了，直接用望遠鏡對準太陽觀測對眼睛有非常大的傷害，而巴德膜可以過濾掉一些光線（就跟小時候用熏黑的玻璃觀測日食一樣的道理），讓我們觀測太陽不會受到傷害。如果不用巴德膜而直接觀測太陽，假設望遠鏡的材料和我們的眼睛都可以承受這種光亮，那是否能看到太陽周圍的一顆行星？答案是否定的，同樣，夜晚我們看到的星星基本都是恆星，只用光學望遠鏡是否能看到遙遠恆星周圍的行星呢？答案也是否定的，看到的只是一個光點，想看到宜居帶的行星，基本不可能。也許有人和我有相同的疑問，既然科學家沒觀測到其他恆星的行星，怎麼知道這些行星是存在的呢？只靠理論或者說猜測是站不住腳的啊。下一期將討論如何尋找淹沒在恆星光芒里的行星。（作者：呂默默）回顧

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千百年來從古希臘到古代中國，從巴爾幹半島到黃河沿岸，只要有人類的地方，每當夜晚的來臨的時候，多多少少都會有人仰望星空，想著那些星星上到底有沒有神靈或者人呢？不巧是，我們在夜晚看到的、那些「眨著眼睛」的星星，基本都是恆星，也就像我們太陽的那種星球——表面有著千萬攝氏度火焰的地獄。在人類的認知範圍內，只有像地球這樣位於恆星系宜居帶的行星上才會有生命，我們尋找的目標就是它們。在上期我們主要介紹了人類尋找外星人的工具——望遠鏡，科學家發明了各種各樣的望遠鏡，但是單單是靠地面上的光學望遠鏡來觀測星空，並不能發現遙遠的星系裡的行星，因為行星並不發光，我們能看到紅色的火星是因為它反射太陽的光線。遙遠的距離使得行星淹沒在了恆星的光芒里，自然看不到。不過，隨著科技的進步，人類有了各種各樣尋找地外行星的方法，稍後我們一一介紹。

先說一種比較「笨」的方法，說這個方法比較「笨」是因為觀測起來很難，計算起來更難麻煩，這就是天體測量學或者稱作測天學（Astrometry），這個方法是天文學中最古老最基礎的一個分支，主要以測量恆星的位置和其他運動天地的距離和動態為主。這個學科其實解釋起來很枯燥，還有各種各樣的分支體系，這裡我們只是用這個學科的一小部分就不詳細贅述這一學科的內容了。根據這一學科中的理論發現小行星的方法比較簡單，我們知道物理學中的萬有引力，地球圍繞太陽的公轉正因為萬有引力的存在，但是，如果你以為只是地球圍繞太陽旋轉而太陽的重心在宇宙中的位置不變那就錯了，真實的情況是地球和太陽圍繞著其共同的質量重心旋轉，但是由於地球和太陽的質量相差太大，這個共同質量重心在太陽的內部，這樣一來從遠處看就跟太陽不動，而只是地球圍繞太陽旋轉了。既然地球和太陽的共同質量重心不是太陽本身的質量重心，那就是說太陽也在圍繞著一個質量重心旋轉了，雖然幅度很小很小，但總是可以觀測到的。知道了這個原理，如果我們從遙遠的地方看到的一顆恆星，如果這個恆星真的有行星圍繞的話，你就發現這顆恆星的在觀測圖上以極小的幅度在晃動，位置上會有極小的位移。如此一解釋，想必大家都明白一些了吧，是不是就可以愉快開心的去發現新行星了？原理的確簡單易懂，剩下的就是計算和觀測的問題，但是那些恆星距離我們地球動輒就幾十光年、幾百光年，甚至幾萬、幾億光年，用望遠鏡觀測這顆恆星是否存在「抖動」實在是困難，而且十分枯燥，加之在地球上由於大氣層和自轉的影響，會變得更難測量準確，所以直到現在用這一方法找到的被大家認可的行星還十分稀少，但是科學家又發現了另一種比較簡單的方法。

我們剛才講得是「笨」方法，現在講一個「不那麼笨」、相對容易一些的方法。不知道大家知道「多普勒效應」嗎，我想理科的同學會知道一點，文科生就不一定知道了，這裡簡單的介紹一下。如果波源和觀察者有相對運動，當兩者相互接近，觀察者接收到的頻率增大；當兩者相互遠離，觀察者接收到的頻率減小，這就是多普勒效應。光擁有波粒二象性，也就是說有波的性質，當光向我們飛速靠近的時候，我們接收到光線的頻率增加，即移向光譜的藍端，稱為藍移；當光遠離我們的時候，我們接收到的光線的頻率則會減小，即移向光譜的紅端，稱為紅移。怎麼運用多普勒效應來尋找恆星系裡的行星呢，其實跟前邊提到的「天體測量法」類似，只是檢測手段不同。這裡用前文我們提到地球和太陽做例子，這兩者有個共同質量重心，也就是說圍繞著同一個重心在旋轉，上文我們提到的方法用來計算和觀測恆星的位置變化是十分困難和枯燥的，如果和多普勒效應結合呢，再加上一個超級靈敏的光譜儀會變得怎麼樣呢？答案是非常可行！如果你看到一個人在你不遠處繞著一個圓心運動，那麼這個人距離的你距離是變化的，時而靠近時而遠離，在坐標系中是一種曲線函數，同樣當恆星位置出現微小的變化，也就是說恆星在圍繞不是自身重心的一個點旋轉，同時身邊又沒有其他恆星干擾，當這顆恆星圍繞質量重心旋轉遠離我們觀測的這一方向、或者靠近這一方向的時候，就會發生微小的紅移和藍移，如果我們的光譜儀足夠靈敏就會捕捉到這一變化。怎麼樣，這個方法是不是相對簡單一些？精準度上比檢測恆星的極為細小的位置變化高很多，而且不受地球大氣的影響，這樣就大大加快了人類發現遙遠星系中行星的速度。這一方法一經發現很快就被用於實際的研究中，隨後從20世紀末開始，科學家們相繼發現了許多其他星系中的行星。在本期的漫談中我們講了兩種發現其他恆星系中行星的方法，但是這兩種方法都有一個缺點，因為人類儀器的精度問題，現在只能發現那些距離恆星比較近，而且質量相對比較大的行星，這樣引起的恆星位移足夠「大」才能被儀器檢測到，而位於恆星系宜居帶上的行星則暫時還不容易被檢測到。如果行星距離他們所在的恆星系中的主恆星位置太近，近到行星環境太過惡劣，這樣的星球在人類認知範疇內無法存在生命。你能想像原始人類或者地球原始生命在攝氏四五百度的環境中生存嗎？你能想像地獄般的金星和水星表面存在生命嗎？從人類至今的觀測和探索來看，金星和水星這兩顆行星太靠近太陽，導致地表環境太過惡劣，不存在生命。不過，也有可能擁有這種質量大又靠近主恆星的行星存在的恆星系內，會存在處於宜居帶的行星，但這只是推測，只是可能，還是那句老話：眼見為實。

在本期漫談結束的時候，再介紹一種帶有科幻色彩的尋找太陽系外宜居行星的方法。不知大家聽說過戴森球嗎？我想有些幻迷應該知道，在以前的漫談中也介紹過，戴森球（Dyson Sphere）是弗里曼·戴森假想出的包圍母恆星的巨大球形結構，它可以捕獲大部分或者全部的恆星能量輸出。拿我們的太陽舉例，太陽輻射到地球的能量只是其放出能量的1/20億分之一，以後科技發達了，人類對能量的需求會更巨大，地球上的能源不夠用怎麼辦呢？戴森球就是解決方法之一。戴森認為戴森球是長期生存的技術文明對於能量需求增長的必然需求，並認為尋找其存在的證據可以引導發現地外高等生命。以上是百科的解釋，說得夠明白，如果人類觀測到戴森球的話，那麼恭喜你，找到外星智慧生命了！而且還是科技比較發達的外星人。以此為題材的小說有拉里·尼文《環形世界》等科幻小說，《環形世界》獲得了當年的星雲獎，有興趣的朋友可以找來一讀。前文講了一些人類發現太陽系行星的一些方法，可是對射電望遠鏡的作用卻提到很少，下期我們主要討論射電望遠鏡的一些發現和歷史，當然還有對「外星人」的發現，或者說我們被外星人「發現」。下期再見。作者:呂默默
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