银河系里有多少外星人？天文学家向统计学寻求答案

在1980年12月14日播出的“宇宙”第12期节目中，该节目的联合创作者兼主持人卡尔·萨根(Carl Sagan)向电视观众介绍了天文学家弗兰克·德雷克(Frank Drake)的同名方程式。利用它，他计算了银河系中可能存在的先进文明的数量，这些先进文明可以使用相当于我们现代无线电通信技术的外星人联系到我们。萨根的估计从“可怜的少数人”到数百万人不等。“如果文明在发现射电天文学后不久并不总是毁灭自己，那么天空可能会发出来自星星的柔和的嗡嗡声，”萨根以他无与伦比的方式吟唱道。

萨根对文明能否挺过自己的技术“青春期”持悲观态度。“青春期”是指一种文化在发展核能、生物工程或无数其他强大能力时很容易导致自我毁灭的过渡期。从本质上说，在所有其他方面，他都对泛灵生命和智力的前景持乐观态度。但他信仰的科学基础充其量也只是摇摇欲坠。萨根和其他人怀疑，克莱门特星球上出现生命肯定是宇宙中的必然性，因为地质证据表明，它在地球上出现的速度之快令人震惊：超过40亿年前，实际上我们的星球刚刚从火热的形成中充分冷却下来。如果像我们的世界一样，其他星球上的生命迅速出现，并随着时间的推移变得越来越复杂，也许智能和技术也可以在整个宇宙中普遍存在。

然而，近年来，一些持怀疑态度的天文学家试图使用一种名为贝叶斯统计的复杂分析形式，将更多的经验权重放在这样的声明背后。他们把重点放在两个巨大的未知数上：非生物条件下在类地行星上出现生命的几率-这一过程被称为非生物发生-以及由此产生智能的几率。即使有了这样的估计，天文学家也不同意它们对宇宙其他地方的生命意味着什么。这种共识的缺乏是因为即使是最好的贝叶斯分析也只能在外星生命和智力的确凿证据稀少的情况下才能做这么多事情。

这位天文学家在1961年提出的德雷克方程计算了我们银河系中可以通过无线电波发送或接收星际信息的文明的数量。它依赖于许多因素的倍增，每一个因素都量化了我们关于银河系、行星、生命和智力的知识的某些方面。这些因素包括ƒp，具有太阳系外行星的恒星的比例；ne，太阳系外可居住行星的数量；ƒl，在其上出现生命的宜居行星的比例；等等。

普林斯顿大学的天体物理学家埃德·特纳说：“在德雷克写下[方程式]的时候--甚至在25年前--几乎所有这些因素都可能使生命变得非常罕见。”现在我们知道，恒星周围的世界是常态，那些在大小、质量和日照强度等最基本方面与地球相似的星球也很常见。简而言之，似乎并不缺少生命可以占据的银河系地产。然而，特纳说：“整个因素链中最大的不确定性之一是生命开始的可能性-即使在合适的条件下，你也会实现从化学到生命的飞跃。”

忽视这种不确定性可能会导致天文学家做出相当大胆的断言。例如，上个月，英国诺丁汉大学的汤姆·韦斯特比(Tom Westby)和克里斯托弗·康塞利斯(Christopher Conselice)计算出，我们银河系中应该至少有36个智能文明能够与我们交流，这一点登上了头条。这一估计是基于一个假设，即智能生命在其他类似地球的宜居行星形成约45亿至55亿年后出现。

“这只是一个非常具体而有力的假设，”哥伦比亚大学的天文学家大卫·基平说。“我没有看到任何证据表明这是一个安全的赌注。”

回答有关非生物发生和智能出现的可能性的问题很困难，因为科学家只有一条信息：地球上的生命。“我们甚至没有一个完整的数据点，”基平说。“例如，我们不知道地球上的生命是什么时候出现的。即使是这样，也会受到不确定性的影响。“

根据我们在当地观察到的情况做出假设的另一个问题是所谓的选择偏差。想象一下，你买了彩票，在你的第100次尝试中了头奖。合理地说，您可能会将赢得彩票的概率指定为1%。当然，这个错误的结论是一种选择偏差，如果你只调查中奖者，而不调查失败的人(也就是说，数千万买了彩票但从未中奖的人)，就会出现选择偏差。当谈到计算非生物发生的几率时，“我们无法了解失败的情况，”基平说。“因此，这就是为什么我们在这个问题上处于非常具有挑战性的境地。”

进入贝叶斯分析。这项技术使用贝叶斯定理，该定理以18世纪英国统计学家和部长托马斯·贝叶斯的名字命名。为了计算某些事件发生的几率，比如非生物发生，天文学家首先得出它的一个可能的概率分布-如果你愿意的话，这是一个最好的猜测。例如，人们可以假设，非生物发生的可能性在地球形成后1亿到2亿年之间，就像地球形成后2亿到3亿年之间，或者我们星球历史上任何其他1亿年的历史一样。这样的假设被称为贝叶斯先验，而且它们是明确的。然后统计学家收集数据或证据。最后，他们结合先验和证据来计算所谓的后验概率。在非生物发生的情况下，根据我们之前的假设和证据，这个概率将是在类似地球的行星上出现生命的可能性。后验不是一个单一的数字，而是量化任何不确定性的概率分布。例如，它可能表明，非生物发生随着时间的推移或多或少变得更有可能，而不是具有先前建议的统一的概率分布。

2012年，特纳和他的同事大卫·斯皮格尔(David Spiegel)，当时在新泽西州普林斯顿的高级研究所(Institute For Advanced Study)，第一个将贝叶斯分析严格应用于非生物发生。在他们的方法中，类地球行星上围绕着一颗类太阳恒星的生命直到那个世界形成后的最少几年(Tmin)才会出现。如果生命没有在某个最大时间Tmax之前出现，那么，随着它的恒星老化(并最终死亡)，行星上的条件变得过于恶劣，不可能发生非生物发生。在Tmin和Tmax之间，Turner和Spiegel的意图是计算非生物发生的概率。

研究人员针对这一概率使用了几种不同的先验分布。他们还假设智力在非生物发生后需要一段固定的时间才会出现。

考虑到这些假设，地球上生命起源的地球物理和古生物学证据，以及进化论对智能生命的出现所说的话，特纳和斯皮格尔能够计算出非生物发生的不同后验概率分布。尽管地球上早期出现生命的证据可能确实表明非生物发生相当容易，但后来者并没有对这种可能性设定任何下限。特纳说，计算“并不排除非常低的概率，这在统计数字为1的情况下确实是一种常识。”尽管地球上的生命迅速出现，但非生物发生可能是一个极其罕见的过程。

特纳和斯皮格尔的努力是“对这个问题的第一次真正严重的贝叶斯攻击，”基平说。“我认为吸引人的是，他们打破了这种对生命早期出现的默认、天真的诠释。”

尽管如此，基平认为研究人员的工作并不是没有缺点，他现在已经试图用他自己更详细的贝叶斯分析来纠正这一点。例如，基平质疑智力在非生物发生后的某个固定时间出现的假设。他说，这种先验可能是选择偏见的另一个例子--这一观念受到我们自身智力产生的进化途径的影响。“本着编码你所有无知的精神，为什么不干脆承认你也不知道那个数字呢？”基平说。“如果你试图推断生命需要多长时间才能出现，那么为什么不同时研究智力呢？”

这个建议正是基平所尝试的，他既估计了非生物发生的可能性，也估计了智能的出现。首先，他选择了另一位英国统计学家和天文学家哈罗德·杰弗里斯(Harold Jeffreys)设计的一种名为杰弗瑞(Jeffreys)的普赖斯(Jeffreys Prior)。据说它的信息量最大。因为杰弗瑞的前科没有大量的假设，所以它对证据施加了更多的压力。特纳和斯皮格尔也曾试图寻找一位信息不多的前科。特纳说：“如果你想知道数据告诉你的是什么，而不是你之前对它的想法，那么你就会想要一个没有信息的先例。”在他们2012年的分析中，研究人员采用了三种前科，其中一种是信息量最少的，但

在基平的计算中，那个先行者把注意力集中在他所说的参数空间的“四角”上：生命是普通的，智力也是普通的；生命是普通的，智力是稀有的；生命是稀有的，智力是稀有的；生命是稀有的，智力是稀有的。在贝叶斯分析开始之前，所有四个角落的可能性都是相等的。

特纳同意，使用Jeffreys的Previor是一项重大的进步。“这是我们拥有的最好的方式，真的，只要问一下数据想要告诉你什么，”他说。

结合杰弗里的先验和地球上生命出现和智慧的稀少证据，基平获得了后验概率分布，这使他能够计算出四个角落的新赔率。例如，他发现“生命是普通的，而智力是稀有的”的可能性是生命和智力都罕见的九倍。基平说，即使智力并不罕见，生活中常见的情况的最低赔率比也是9比1。基平说，这些赔率不是人们会下大赌注的那种。“你可能很容易输掉这场赌局。”

不过，他说，这种计算是“生命应该存在的积极信号”。“这至少是一个暗示，表明生活并不是一个艰难的过程。”

并不是所有的贝叶斯统计学家都会同意。特纳就是其中之一，他对结果有不同的解读。是的，基平的分析表明，生命明显提前来到地球，有利于一种非生物发生很常见的模型，具体赔率比为9：1。但特纳说，这种计算并不意味着这个模型比那个说非生物发生很罕见的模型更有可能是9倍。他补充说，基平的解释“有点过于乐观”。

特纳称赞基平的工作，他表示，即使是最复杂的贝叶斯分析也会为宇宙中生命和智力的稀缺性留下空间。“我们对地球上生命的了解并不排除这些可能性，”他说。

而且，可能不只是贝叶斯统计学家对基平的解释有意见。任何对生命起源问题感兴趣的人都会对声称的答案持怀疑态度，因为任何这样的分析都受制于地球上生命的地质学、地球物理学、古生物学、考古学和生物学证据-这些证据中没有一个是关于非生物发生和智能出现的明确时间表。

哥伦比亚大学的天文学家和天体生物学家Caleb Scharf说：“我们仍然很难定义我们所说的有生命的系统是什么意思。”“就科学定义而言，它是一种狡猾的野兽。这对于发表[关于]非生物发生时间的声明，甚至是关于智力进化的声明都是有问题的。“

如果我们有严格的定义，问题依然存在。“我们不知道生命是开始了、停止了，还是重新开始了。我们也不知道生命是否只能以一种方式构建，“沙尔夫说。地球何时变得适合生命生存？当它发生的时候，这种“生命”的第一个分子是氨基酸、RNA还是脂膜？在生命第一次出现之后，它是不是在地球历史早期的某个灾难性事件中被扼杀了，结果却以一种潜在的不同方式重新开始了呢？“有非常多的不确定性，”沙尔夫说。

所有这些粗略的证据都使贝叶斯分析变得困难。但作为一种技术，它仍然是处理更多证据的最合适的方法-比如，发现过去在火星上存在的生命迹象，或者现在木星上覆盖着冰的、有海洋的卫星之一内存在生命的迹象。

“一旦我们有了另一个数据点可以处理，假设发生了这种情况，(贝叶斯模型)就是最好地利用这些额外数据的方式。突然之间，不确定性急剧减少。“沙尔夫说。“我们不一定要调查银河系中的每一颗恒星，才能计算出任何给定的地方存在生命的可能性有多大。一个或两个以上的数据点，突然之间，我们就知道了，从本质上讲，宇宙就是它生产生命或可能的智能的倾向。这是相当有力的。“