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王爽:我們是否生活在“宇宙孤島”中

我們是否生活在“宇宙孤島”中

從古至今,人們對於宇宙的想象與探索從未停止。地球是宇宙中獨一無二的存在嗎?真的有外星人嗎?這一切似乎仍未可知。那請看王爽老師從他的視角如何一一解讀我們所關心的宇宙問題。

前言

說到宇宙孤島,不得不談及一個非常有名的中國作家——劉慈欣,很多人對他的瞭解可能都是源於《流浪地球》這部電影,它是中國電影史上票房排名第二的傑作,但是對於科幻屆的愛好者來說,認識劉慈欣是因為《三體》。

王爽:我們是否生活在“宇宙孤島”中

三體世界是否真的存在?

《三體》三部曲被普遍認為是中國科幻文學的里程碑之作,將中國科幻推上了世界的高度。它也幫劉慈欣拿到了雨果獎、軌跡獎、克拉特獎等科幻屆大獎。

王爽:我們是否生活在“宇宙孤島”中

很多人看《三體》有個疑問,三顆恆星彼此繞轉的世界是個幻想,還是真的會存在呢?答案是後者,即三體世界其實是真的存在。那三體世界是什麼樣的呢?其實,離地球最近的一個恆星系統就是——半人馬座α,中國人把它稱為南門二。

如下圖所示,左邊的三個恆星依次是太陽、半人馬座αA和半人馬座αB,右邊的小恆星就是距離地球約4.2光年的比鄰星,這兩種恆星差異較大,前三者屬於黃矮星,後者屬於紅矮星。

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黃矮星和紅矮星的主要區別是所發出光的主要顏色不一樣,黃矮星主要發出偏黃光,紅矮星發出較弱的偏紅光。

王爽:我們是否生活在“宇宙孤島”中

書中的三體世界有恆紀元和亂紀元之分,恆紀元就是三顆恆星正常運動的規則,在這種情況下三體人所居住的星球氣候是風調雨順的;而亂紀元是三顆恆星的運動變得混亂,從而在三體世界里就有各種各樣的氣候災難。

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現實三體世界是否存在恆紀元或亂紀元現象?

答案為否定。半人馬座αA星和B星的距離約為10-35倍的日地距離(日地距離約1.5億千米),但是A、B星和比鄰星的距離就達到了13000倍的日地距離,說明現實中的三體世界是一個兩體問題,即A、B星可以視為一個整體,而A、B星又和比鄰星構成一個雙星系統,兩者彼此旋轉。兩體和三體相比,兩體的軌跡更容易預測,即現實三體世界的恆星會一直遵循規則運動,因此現實三體世界里只有永恆的恆紀元。

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三體世界有沒有行星?

既然三體世界是一個永恆的恆紀元狀態,三體人是否存在?要解答這個問題,得先弄明白三體中到底有沒有行星。因為恆星是生命禁區,任何一顆恆星的錶面溫度至少達幾千度,這種狀態下生命根本不可能存在。生命存在的一個關鍵因素就是行星,尤其存在像地球一樣的生命綠洲,生命才有可能在三體世界里存在。

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現實三體世界是否存在行星?

答案是存在。2016年,某著名自然雜誌發表了一篇論文,31位歐美天文學家發現在現實三體世界里真的存在一顆行星。但地球離三體世界那麼遠,科學家是怎麼知道的?

仔細觀察列車車站會發現一個現象:當列車進站時,聽到列車發出的汽笛聲很尖銳;反之當列車離站時,聽到列車發出的汽笛聲就變得低沉,這個現象就是多普勒效應。如果有個物體,它的運動方向是朝我們靠近,那麼它所發出的聲波波長會變短、頻率會增加;反之,當物體背離我們遠去,它所發出的聲波波長會變長、頻率會減低。多普勒效應不僅適用於聲波,它適用於所有的波,包括恆星發出來的電磁波。

如果三體世界的比鄰星周圍沒有行星,那麼它就會靜止不動。在這種情況下,恆星所發出的電磁波的波長和頻率會一直保持著穩定狀態,都不會發生改變。但如果它周圍有一顆行星,那麼這顆恆星和行星就會像太陽和地球一樣出現彼此繞轉,儘管恆星的運動幅度很小,它依然會出現靠近和遠離地球的趨勢。如圖所示,當它靠近地球時,所發出光波的波長會向藍光的方向移動,這個過程稱為藍移;反過來當它遠離地球時,所發出光波的頻率就會變小,就向紅光那邊移動,這個現象就稱為紅移。

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如果一顆恆星發出的光有周期性紅移和藍移交替的現象,那麼這顆恆星附近就有自己的行星。正是用這個辦法,2016年的暗淡藍點計劃發現了離地球最近的恆星比鄰星擁有一顆自己的行星,人類把它稱為比鄰星B。

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比鄰星B像地球一樣正好處於比鄰星的宜居帶。宜居帶是指恆星離行星的距離適中,它的錶面溫度恰好允許液態水的存在。比鄰星B恰好處在一個允許液態水存在的黃金地帶,比鄰星B的質量約為地球的1—3倍,它與比鄰星的距離是日地距離的20%,這些條件就適合生命體的存活。

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可能存在三體人嗎?

答案是不可能存在,因為比鄰星B是一個生命荒漠。太陽是整個太陽系的主宰,地球上的生命、能量都來源於太陽,但太陽本身並不穩定,它會發生一些狂暴活動,即太陽風暴。

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太陽風暴包括兩部分:一部分叫太陽耀斑,指太陽錶面的有些區域會變得非常的亮,會一下釋放出大量的電磁輻射;另一部分叫日冕物質拋射,即太陽將其表層一些高能量的帶電物質拋向太空,如果所拋方向正好對著地球,那就會對地球造成直接影響。由於地球磁場的保護,太陽風暴所拋出的高能帶電離子進入地球磁場後就會發生偏轉,在地球兩極地區和地球大氣發生相互作用,形成了美麗的極光。

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太陽風暴也會對地球造成明顯的影響,例如在2003年萬聖節期間,就發生了人類歷史上有記載以來的最大一次太陽風暴,即萬聖節大風暴。

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一般情況下,地球的極光都集中於兩極地區,但在萬聖節大風暴期間,溫帶地區也出現了大面積極光現象。同時,地球上事故不斷,比如超過一半的地球通訊衛星都發生了各種各樣的故障。有部分高能帶電離子(太陽風)衝破了地球磁場的屏障,直接打到地球錶面,使得美國得克薩斯州發生了非常嚴重的電網爆炸。

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如同太陽風暴一樣,比鄰星作為一顆恆星也能發出風暴,且比鄰星是顆耀星,其耀斑強到可以遠遠超越太陽,所以劇烈的比鄰星風暴會比太陽風暴強上萬倍。2017年,天文學家就觀測到了一場比太陽風暴高上萬倍的大規模比鄰星風暴。

如果恆星風暴打到行星,有可能直接剝離掉行星的大氣層,因為恆星風暴的能量極高,它把自身的能量傳給行星大氣層,當行星的大氣分子具有足夠高的能量時,就能掙脫行星引力的束縛,逃逸到太空中去。如果地球處在比鄰星B的位置,又經常遭遇強大的比鄰星風暴,那麼地球就會變成火星——一個幾乎沒有大氣層,也沒法保留任何液態水的生命荒漠。

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人類是否收到過外星人的信號?

2019年1月,有則新聞說,加拿大的科學家利用望遠鏡裝置觀測到了罕見的快速射電暴現象。快速是天體的爆發現象,時間短至千分之幾秒;射電是它發出來的電磁波集中在無線電波的波段(電視臺傳播電視節目的波段);是它發出的無線電波的總能量特別大,大到千分之幾秒里發出的能量甚至比太陽幾十萬年發出的總能量還要大。

王爽:我們是否生活在“宇宙孤島”中

在這次發現的13個快速射電暴里,有個非常特殊的重覆的快速射電暴,意思是同一個天體同時連續暴了多次。早在2012年也曾經發現過一個快速射電暴重覆爆發15次,今年這篇論文里提及的快速射電暴是重覆爆發了6次。

此事為何會引起人們的關註?有個原因是快速射電暴所處的波段是無線電波段,可以用來搭載信息。自然就會聯想:一個太空中的天體重覆發射多次無線電波,有沒有可能其中搭載了來自智能文明的信息。但第二例重覆快速射電暴的發現對外星信號的理論直接宣判了死刑。

王爽:我們是否生活在“宇宙孤島”中

1967年,貝爾發現有個天體不斷地向地球發射周期性的射電脈衝,這和快速射電暴很相似,也是天體發出來的射電信號,其能量很正常,且它的周期性脈衝不是發射數十次就沒了,會持續不斷地一直發往地球。

當時她的導師認為這是外星人的來信,但貝爾不這人認為。地球上有許許多多不同語言、不同文化、不同的表達方式,宇宙里兩個相距極端的世界不可能會發射一模一樣的信號。因此,貝爾想要找到第二個重覆性的周期性脈衝信號。

1967年的平安夜,貝爾發現一個疑似第二天體發出來的周期性脈衝信號,在聖誕節這天凌晨,她找到了第二例的周期性脈衝信號,意味著宇宙中有種人類聞所未聞的天體在向貝爾女士閃耀,它就是脈衝星,是一種極快旋轉的緻密天體。

王爽:我們是否生活在“宇宙孤島”中

50年前,貝爾正是基於第二例重覆周期性的脈衝否定了外星信號的理論。50年後歷史重演,因此第二例重覆性的快速射電暴的發現,不但沒有證明外星信號,反而宣判了它的死刑。

人類在宇宙中是否孤獨?

迄今為止,人類沒有接收到任何一個來自外太空的外星文明信號,宇宙中真的只有地球這一個文明嗎?人類難道是孤獨存在的?這個問題需從傳奇物理學家費米講起。

王爽:我們是否生活在“宇宙孤島”中

費米有一個著名的悖論——費米悖論。它基於兩個基本假設:第一個是智能文明或智能生命在整個宇宙中應該是普遍存在的;第二個是技術是不斷進步的,所以遲早會有一些智能文明突破技術的限制,擁有星際旅行的能力。

《星際穿越》中是如何實現星際旅行的?

需要用到的第一個元素是黑洞。黑洞可以說是宇宙中最恐怖的“監獄”。所有進了這裡的事物統統都被判了無期徒刑再也出不來,另外這個監獄防衛非常森嚴,以至於不存在越獄的可能,甚至連跑的最快的光都無法從這裡逃出去。

王爽:我們是否生活在“宇宙孤島”中

同時,宇宙中有一個非常強的斥力區域,它會把“監獄”里所有的東西都往外扔,只要出了“監獄”大門就再也回不來,這個區域叫白洞。白洞可理解為黑洞的時間反演,不管白洞黑洞,都是在理論上存在的事物,儘管目前還沒有任何白洞實際存在的證據。

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把黑洞和白洞拼合在一起,兩者通過隧道發生直接的連接,從黑洞進去的物體就又被白洞噴出來,這就是蟲洞

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最早提出蟲洞概念的人是愛因斯坦和他的助手羅森,所以蟲洞最早也被稱為愛因斯坦羅森橋。蟲洞提供了一個“抄近路”的辦法,可以跨越漫長的時空去旅行。

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《星際穿越》里所用的這個星際旅行辦法很不靠譜,因為用蟲洞進行旅行有個致命的問題,蟲洞其實是個“豆腐渣工程”,稍有風吹草動就會立刻垮掉,可能走到一半就沒了。

上文看似非常合理的假設,怎麼會導出這麼荒謬的結論呢?以銀河係為例,它至少存在了120億年,現在的直徑是20萬光年,光要從一端走到另外一端需要花20萬年。此外,銀河系擁有上千億顆像太陽這樣的恆星,再把費米悖論的兩個基本假設加到銀河繫上會怎樣呢?

假設一:生命在全宇宙中應該是普遍存在的。假定上千億顆恆星中,只有1%的恆星存在像地球一樣處於宜居帶的行星,可催生出有生命的世界,那這樣的世界至少有十億個。

假設二:星際旅行。假定可以發出飛船以1%的光速進行星際旅行,那麼,橫穿銀河系需要花2000萬光年。

進一步假設:十億個有生命的世界里僅有一億分之一能夠具有像流浪地球一樣旅行的能力。那麼會導致他們足以在整個銀河系大規模的橫穿5000多回,這種殖民性的橫穿一定是要飛到下一個宜居星球,在那個“地球”殖民,然後利用那個行星的資源再策划下一次的旅行。

換句話說,如果把費米悖論放到銀河系框架里,當前的銀河系應該已經被大型帝國殖民了5000多次,意味著在地球上見到外星人的幾率就異常高。

實際上,就回到了最開始的問題,如果真有外星人,他們都在哪裡?費米悖論只有兩種解釋途徑,第一種解釋途徑是第一個假設錯誤。如果第一個假設錯了,會導致稀有地球假說,就是說地球是獨一無二的。稀有地球假說也有許多理由:

第一,地球處於星系宜居帶。地球所在的太陽系靠近銀河系中心,這裡有更多的恆星形成,會對地球產生一些意想不到的威脅,比如可能會出現超行星爆發等劇烈現象,對地球的生命造成嚴重干擾。離得遠的恆星物質形成特別慢,很難形成像地球所在的太陽系這樣完備的體系。

第二,太陽是質量適中的黃矮星。太陽的壽命約為100億年,假如太陽的質量比現在大十倍,其壽命會急劇縮短,它會以遠超十倍的速率釋放能量,所以它的壽命會縮減到幾千萬年,它死後會發生超行星爆發,變成一個中子星甚至是一個黑洞,這麼短壽的大質量恆星是不適宜生命存在的。如果它的質量變成現在的十分之一就如比鄰星,若要地球錶面存在液態水,就必須像比鄰星B一樣和紅矮星靠得近,紅矮星是耀星可以產生出遠超太陽的風暴,這說明若太陽變成一顆質量小的紅矮星,地球也不會適宜生命存在。

第三,恆星宜居帶。行星必須離恆星的距離恰當,否則行星的錶面就不會存在液態水。

第四,木星守護神。木星是太陽系里質量最大的氣態行星,它就像一個“太空吸塵器”。1994年,當時人們發現有一顆彗星裂成了21個碎片撞到了木星錶面(最大的一個碎片在木星錶面留下了一個足以把地球裝進去的傷痕),21個碎片全都被木星裝下。如果有一個碎片撞到地球,都足以造成地球生態系統的徹底崩潰,木星守護神作為“吸塵器”,把大量的微小行星都吸走了,地球才相對安全很多。

第五,月球穩定器。月球是地球的一顆衛星,但這顆衛星相對地球的比例大到離奇。全太陽系中,衛星與自己環繞的行星體積之比排在第一的就是月球,如果月球消失,那麼地球自轉的速度會極具加快,時間將會縮至10小時。如果地球變成一個自轉周期10小時的天體,那麼地球可能比電影《2012》中喜馬拉雅山脈被大海吞沒的場景糟糕十倍。

現在已經發現的像銀河系的星系大概有幾千億個,而這幾千億個大規模星系里任何一個星系又擁有上千億顆恆星,在這麼大規模的數量下,很難想象地球是宇宙中獨一無二存在生命的星球。假如費米悖論第二個假設是錯誤的,從而導出另外一個理論——大過濾器假說。

王爽:我們是否生活在“宇宙孤島”中

比如電子游戲,在游戲里設有多個關卡,每個關卡都有一個Boss坐鎮,必須打贏Boss才能進入下一關,打不過就只能在這關獃著。可以把大過濾器理論理解成文明打游戲的過程,文明進化要通過多個關卡,關卡後面總有一些制約文明邁向下一個階段的Boss,這個Boss就叫大過濾器,它像一個漏斗可以把一部分東西漏下去,漏不下去的就卡住。

最早提出這個理論的是一位美國社會學家,他把整個文明打游戲的關卡分成9關,最後一關就是星際旅行,也就是說想要在星際旅行就必須打贏最後一關的大過濾器,這個大過濾器可能不是某種具體障礙,而是某種物理規律,由於它是一個根本無法違反的物理規律,導致所有的智能文明都停留在無法進行星際旅行的階段,正是因為不能進行星際旅行,所以才可以回答費米悖論:他們都在哪呢?他們在我們不知道的遙遠地方。

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不管是哪一個理論正確,最後都能導出一個共同的結論:宇宙大寂靜。即使在遙遠的外太空中真的存在智能文明,由於受到大過濾器的限制,他們也無法與地球進行交流。

如果整個宇宙是一個黑暗的大海,那麼文明就是零星漂在海上的小小孤島,由於物理定律(大過濾器)的限制,沒有哪個島上的文明有能力造出穿越大海的船,所以我們就只能生活在一個小小的孤島上,悄悄的誕生、悄悄的成長,最終悄悄的滅亡。

(頭條運營:科築網絡)

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