地球/7a. 宇宙中生命有多罕見？

生命是地球獨有的嗎？

德國埃費爾斯貝格的 100 米射電望遠鏡。

儘管科學家們盡一切努力尋找火星上的生命證據，但使用好奇號探測器等探測器和著陸器的科學家們未能找到紅色星球上生命形式的證據。

自射電望遠鏡問世以來，科學家們一直在掃描天空，尋找來自外太空深處的訊息，尤其是來自宇宙中其他智慧生物的訊息。在尋找其他行星上甚至是最簡單的生命形式的無休止的探索中，科學家們不遺餘力地將宇宙飛船和著陸探測器送往我們太陽系中的其他行星。只是發現它們是空的，即使是最簡單的單細胞生命形式也毫無蹤跡。是什麼讓地球上的生命如此獨特，如此特別？宇宙中是否有其他行星擁有像地球上一樣的生命形式？像人類這樣的智慧生命能夠利用光進行星際交流。對於弗蘭克·德雷克來說，這些問題一直困擾著他，自 20 世紀 50 年代以來，他一直在開發工具來嘗試觀測來自其他行星的無線電傳輸，並傾聽來自太空的訊號。到目前為止，它們一直異常安靜。無線電波以光速傳播，比任何宇宙飛船都快，傾聽這些訊號是觀測能夠產生這種通訊的地球外智慧生命的最佳方式。到目前為止，只有寂靜。

德雷克方程

1959 年，弗蘭克·德雷克召集了一些當時最頂尖的科學家，包括卡爾·薩根，共同努力量化其他行星上存在生命的可能性。他可能對缺乏地球外生命證據感到沮喪，但他渴望鼓勵其他人尋找地球以外的生命，特別是在 20 世紀 60 年代太空時代開始的時候。

幾年前，核物理學家恩里科·費米在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的一次午餐談話中，對他的同事們說：“他們在哪？”注意到地球以外沒有地球外生命的證據，但也指出生命很可能至少存在於宇宙中的某個地方，因為有那麼多恆星和那麼多可能的行星。這個想法被稱為費米悖論，這個悖論指出，儘管生命很可能存在於其他行星上，但除了地球上發現的生命之外，沒有發現任何生命證據，即使我們盡了最大努力尋找。幾年後，弗蘭克·德雷克想估計地球外生命的這種可能性是什麼，他準備了一個數學方程來近似估計這個可能性，並在一次會議上向他的朋友和同事們展示。這個數學方程被稱為德雷克方程。自 1959 年首次量化以來，這個方程已被那些想要嘗試理解宇宙中生命罕見性的科學家修改和研究，但它是一個不完整的模型，可能存在錯誤。

基本的德雷克方程是 $N=R*\cdot fp\cdot ne\cdot fl\cdot fi\cdot fc\cdot L$

其中 $N$ 是宇宙中擁有星際交流能力的文明數量。 $R*$ 是宇宙中恆星形成的速率， $fp$ 是擁有行星的平均比例， $ne$ 是可以支援生命的行星平均數量， $fl$ 是發展生命形式的行星比例， $fi$ 是發展智慧生命的行星比例， $fc$ 是發展出能釋放其存在訊號的技術的文明比例，而 $L$ 是這些文明在滅絕之前存在的時間長度。

R*，恆星形成速率

R* 的估計值可能非常大，銀河系每年產生 4 到 7 顆新星 (https://www.nasa.gov/centers/goddard/news/topstory/2006/milkyway_seven.html)，而宇宙中估計有 1000 億個星系，因此每年新產生的恆星數量約為 4000 億到 7000 億顆。這是一個非常大的數字，這增加了宇宙中數萬億顆恆星中存在生命的可能性。這些恆星中擁有行星的比例也估計相當高，因為對系外行星的研究表明，許多甚至大多數恆星都有圍繞它們旋轉的行星，高達 90% 的恆星可能擁有行星，因此也擁有太陽系。

ne 代表地球類行星的數量

下一個值 ne 代表地球類行星的數量，這是一個更難確定的值。在我們的太陽系中，地球位於水以固態、液態和氣態三種形式存在的交匯點。有些人將這個關鍵區域視為一顆恆星周圍可能存在液態海洋、冰蓋和一些大氣水的區域，因此對生命來說是必要的。這是一個距離太陽相當狹窄的範圍，即使在這個區域內，有些行星的質量可能太大或太小。對系外行星的研究揭示了太陽系配置的巨大差異，因此這個值遠低於 1。也許在 1000 個太陽系中會發現一顆地球類行星，這個值為 0.1%。

fl 代表這些地球類行星上起源的生命

接下來要估計的三個值是 fl，代表這些行星上起源生命的百分比；fi，代表這些行星上起源智慧生命的百分比；以及 fc，代表這些智慧生命能夠在行星之間傳送通訊訊號的能力。在與生命相關的三個值中，fl 是最有可能的，因為地球上的生命起源於其歷史的早期，大約在 地球形成後 38 億年，有間接證據表明生命的存在，並且在 30 億年前，生命已經很普遍。對其他行星的研究，儘管樣本量非常有限，表明生命的存在條件非常狹窄，因為我們尚未在火星或月球上發現任何有機分子。如果這個比例大約是每 1000 顆地球類行星中存在 1 顆，那麼 fl 將接近 0.1%。這意味著在宇宙中存在著 6300 億顆存在生命的行星。無法交流的無智單細胞生物將是宇宙中占主導地位的生命形式。在所有引數中，fi 和 fc 變化最大，也是最關鍵的。

fi 代表擁有智慧生命的行星百分比

這些行星中擁有智慧生命並能夠使用無線電波在恆星之間進行通訊的百分比。一些科學家認為這些百分比非常小，因為地球上智慧物種——人類——進化並能夠傳送無線電訊號的時間跨度很長。唐納德·布朗利和彼得·沃德認為這些值的數字非常小，這使得其他行星上存在智慧生命的可能性非常低，並且他們提出了名為“稀有地球”的假設。他們認為，導致人類出現的複雜事件序列在其他行星上發生的可能性很低。人類在地球上出現所花費的 38 億年證明了類似事件序列在其他行星上發生的低機率。生命不會隨著時間的推移而自然變得智慧，它只會生存並適應其環境。如果 fi 是 38 億年中出現智慧生命的機率（使用從生命起源開始的年度機率），那麼 fi 將是一個極小的數字（0.0000000026%）。

fc 代表星際通訊能力

下一個值 fc 代表擁有星際通訊能力的這些智慧生命星球的百分比。如果人類已經存在了 2.5 億年，而無線電訊號只是在最近的 150 年才被發現，那麼 150 年的通訊時間除以人類作為該星球上智慧生命存在 2.5 億年的時間，則 fc 的值為 0.000006%。

L 代表一顆星球上星際通訊的持續時間

最後一個值是 L，代表一顆星球上星際通訊持續的時間。這個值引起了卡爾·薩根的興趣和困擾，因為他擔心德雷克方程中最具限制性的變數之一就是這種高度智慧物種能夠維持星際通訊的時間長度，即 L 的值。全球戰爭、流行病、資源枯竭導致的滅絕、氣候變化和其他災難可能會降臨到這些高階文明，從而終結它們進行星際通訊的能力。一個相當保守的數字是 1000 年，儘管這些時間單位可能會跨越不同的時間單位，具體取決於這些外星物種的智慧和性質。我們可以新增幾年，也許是 17 年。但 1017 年的時間長度對地球來說是相當長的文明，比地球上大多數帝國都要長，並且始終保持著探測和向太空傳送這些訊號的能力。

如果我們使用這些估計值、猜測值，甚至只是根據不存在的資料隨意記下這些值，然後求解 N，即宇宙中擁有星際通訊能力的文明數量，我們會得到一個簡單的 N 值，僅為 1。

地球是唯一孕育生命的星球嗎？

地球是唯一擁有智慧生命的星球嗎？

整個宇宙中只有這一個擁有星際通訊能力的文明，但沒有其他星球可以進行交流。這些對德雷克方程的估計可能是，而且很可能錯誤地，廣泛地誤解了真正的機率，但它們突出了一些真正重要的東西，即要真正瞭解地球是否是宇宙中唯一擁有智慧生命的星球的關鍵，取決於我們如何估計智慧生命在數十億年中存在於地球上的稀有程度，而在這個過程中，生命在地球上經歷了一系列過程，最終產生了智慧生命形式，比如你自己。我們生活在一個多麼奇特的世界裡，你能夠閱讀這些文字，理解它們，並從中獲取知識。生命是如何從單個複雜分子演變到細胞生物，再演變到多細胞生物，再演變到能夠移動和游泳的動物，再演變到工具製造者，最終演變到像你這樣的生物的？

這是地球上生命的演化故事，也是為什麼生命如此珍貴，並且可能如此罕見。地球之所以獨特，不是因為它的維度、大氣、海洋、大陸或岩石和熔融內部，而是因為它是我們所知唯一孕育智慧生命的星球。

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j. 地球歷史儲存在岩石中：地層學和地質年代。	a. 宇宙中生命的稀有程度如何？	b. 什麼是生命？