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大家好，我是來(lái)自中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)的李楠，今天的話題是《你好，有人嗎》。沒(méi)想到此時(shí)此刻，我遇到的情況和我要講的內(nèi)容有點(diǎn)像。我站在這里，燈光打在臉上，我根本看不到下面有沒(méi)有人。所以我要問(wèn)一下，你好，有人嗎？
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現(xiàn)在，我們?cè)O(shè)想一下，如果我代表地球，代表人類，你們代表外星人，我要用什么方式找到你們，又該如何估算你們的數(shù)量呢？
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我在像你們這么大的時(shí)候，最關(guān)心兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是恐龍是怎么滅絕的，另一個(gè)是到底有沒(méi)有外星人。
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我相信，你們可能也對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題比較感興趣。那么大家認(rèn)為有沒(méi)有外星人呢？這個(gè)問(wèn)題古今中外一直都有人在探討。比如說(shuō)，遠(yuǎn)古的壁畫(huà)上，有一些疑似飛碟的圖案；在金字塔相關(guān)研究中，有些人認(rèn)為金字塔是外星人造的；還有復(fù)活節(jié)島上的巨石雕像，也被認(rèn)為可能是外星人留下來(lái)的遺跡。
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這些例子都來(lái)自國(guó)外，那說(shuō)到我們中國(guó)呢，其實(shí)古代小說(shuō)里也描寫(xiě)過(guò)外星人。就比如說(shuō)，《搜神記》里有這么一段記載：有個(gè)小孩兒跟大人一起玩，別人看他很奇怪，就問(wèn)他：“你從哪兒來(lái)呀？”他回答說(shuō)：“我不是凡人，我來(lái)自熒惑?！?/span>
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熒惑是什么呢？在當(dāng)時(shí)，應(yīng)該還沒(méi)有“火星人”這種說(shuō)法，古人很可能認(rèn)為，這個(gè)小孩兒是熒惑星下凡。因?yàn)榘凑账麄兊南敕?，熒惑并非指星體本身，而是天上的星宿。在他們看來(lái)，是星宿下凡了。但從我們現(xiàn)在的角度看，這可能講的是一個(gè)火星人來(lái)地球訪問(wèn)的故事。
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不僅大眾對(duì)外星人感興趣，對(duì)于專業(yè)的天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，我們也在問(wèn)這樣一個(gè)問(wèn)題，而且這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)上升為一個(gè)非常嚴(yán)肅的科學(xué)問(wèn)題了。比如說(shuō)，這是哈佛和史密松天體物理中心的一些科學(xué)家在總結(jié)目前非常重要的科學(xué)問(wèn)題，就有一條就是“是否有太陽(yáng)系外的文明存在？”
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不僅如此，美國(guó)還成立了一個(gè)地外文明搜尋實(shí)驗(yàn)室，到今年這個(gè)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成立40周年了。這也是我選這個(gè)題目給大家分享的原因——人類至少已經(jīng)嚴(yán)肅地花了40年時(shí)間來(lái)搜尋地外文明。
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那么大家肯定會(huì)問(wèn)，都搜尋40年了，到底有沒(méi)有證據(jù)能證明外星人的存在呢？
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我們先來(lái)看看搜尋的歷史。其中，最有趣且最有故事性的信號(hào)是這樣的：1967年，約瑟琳·貝爾博士用射電望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)了一種非常規(guī)則的、呈周期性變化的信號(hào)。她認(rèn)為，如果宇宙中不存在其他人類文明，那么接收到的信號(hào)應(yīng)該是隨機(jī)的。但如果某個(gè)信號(hào)總是以非常規(guī)則的周期出現(xiàn)，那就很有可能是來(lái)自外星人的信號(hào)。于是，她給這個(gè)信號(hào)取名叫“小綠人”。
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但后來(lái)，經(jīng)她老師研究發(fā)現(xiàn)，這并不是外星人的信號(hào)，而是來(lái)自一種被稱作脈沖星的天體。這種天體在宇宙中像燈塔一樣不停旋轉(zhuǎn)，所以地球能不斷接收到其信號(hào)。
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這一發(fā)現(xiàn)最終榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但卻并沒(méi)有授予約瑟琳·貝爾博士，而是給了她的導(dǎo)師，可能因?yàn)閷?dǎo)師提供了望遠(yuǎn)鏡及物理解釋。不過(guò)，約瑟琳博士得到了比諾貝爾獎(jiǎng)更豐厚的基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎(jiǎng)，獎(jiǎng)金約為諾貝爾獎(jiǎng)的三倍，也算得到了更多回報(bào)。這是地外文明搜尋歷程中一個(gè)非常有意思的故事。
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到了最近，大家又開(kāi)始關(guān)注某種信號(hào)，這種信號(hào)被稱作快速射電暴。為什么射電信號(hào)大家覺(jué)得很重要呢？因?yàn)槲覀兤綍r(shí)打電話用手機(jī)、看電視以及其他所有通訊，都是依靠無(wú)線電波，也就是天文學(xué)中的射電波來(lái)傳遞信息的。那如果在宇宙中的某一個(gè)方向上射電波突然爆發(fā)，那就很有可能是由智能文明發(fā)出的信號(hào)，而快速射電暴就是這樣一種信號(hào)。
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于是，我們?cè)诘厍蛏显O(shè)置接收器，接收來(lái)自宇宙的射電信號(hào)，看看什么時(shí)候會(huì)出現(xiàn)這種爆發(fā)情況。發(fā)現(xiàn)這些信號(hào)之后，大家又開(kāi)始研究。尤其是我們中國(guó)的天眼，也針對(duì)快速射電暴做了很多探索。研究后發(fā)現(xiàn)，好像它們也不是地外文明的信號(hào)。因?yàn)檫@些信號(hào)更多與某一類天體有關(guān)，目前來(lái)看，快速射電暴更可能是中子星或者黑洞爆發(fā)產(chǎn)生的。
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前面提到的這兩種搜尋方式，我稱之為“盲搜”。為什么叫“盲搜”呢？就是我們不指向特定的某一個(gè)方向，就像閉著眼睛在宇宙中“聽(tīng)”，如果能“聽(tīng)”到某類信號(hào)，我們就認(rèn)為可能有文明存在；如果“聽(tīng)”不到信號(hào)，那就說(shuō)明可能沒(méi)有。
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那么，我們是不是可以進(jìn)行有針對(duì)性地搜索呢？比如說(shuō)，我們知道人類是生活在行星上面的，那么在宇宙中我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了眾多行星，我們是不是可以針對(duì)這些行星，更加專業(yè)、細(xì)致地去探測(cè)它們，看上面有沒(méi)有地外文明的信號(hào)呢？
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那我們具體看什么呢？這里有一個(gè)比較有趣的點(diǎn)。如果一個(gè)星球上沒(méi)有人類，或者說(shuō)沒(méi)有發(fā)展出工業(yè)文明，那么通常情況下就不會(huì)產(chǎn)生大氣污染。但是，一旦出現(xiàn)了工業(yè)化，就會(huì)讓該星球大氣層所呈現(xiàn)出的信號(hào)大不相同。所以，我們可以通過(guò)觀測(cè)行星大氣層的特征，來(lái)判斷該行星上是否有工業(yè)文明。這是有針對(duì)性探索地外文明的其中一個(gè)方式。
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還有另外兩個(gè)比較有趣的方面。
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比如說(shuō)，我們假設(shè)正在看一個(gè)地外行星，并且知道如果這個(gè)行星有工業(yè)文明。那么在黑夜時(shí)段，我們對(duì)它進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)明顯不同的信號(hào)——有文明的行星在黑夜會(huì)開(kāi)燈，而沒(méi)有文明的行星在黑夜不會(huì)開(kāi)燈。那這種亮度上的異常，也是我們尋找地外文明的一種方式。
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另外一種則是更具科幻色彩的高級(jí)假設(shè)。當(dāng)一個(gè)文明發(fā)展到足夠發(fā)達(dá)的階段，達(dá)到所謂的二級(jí)文明，就是恒星級(jí)文明時(shí)，它將能夠充分利用恒星系內(nèi)的所有能量。對(duì)于恒星級(jí)文明來(lái)說(shuō)，最有效的利用方式之一就是建造戴森球，也就是用類似太陽(yáng)能電池板的裝置把恒星包裹起來(lái)。從觀測(cè)角度來(lái)看，這會(huì)出現(xiàn)兩種情況：
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第一種情況是恒星被完全包裹。以前我們能看到的一顆恒星，在某一時(shí)刻后突然不見(jiàn)了，而且沒(méi)有出現(xiàn)超新星爆發(fā)等任何天文現(xiàn)象，只是毫無(wú)預(yù)兆地消失，那么我們就可以推測(cè)可能是外星文明在做戴森球。
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第二種情況是恒星沒(méi)有被完全包裹，而是被包成環(huán)狀，并且這個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)還在不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致恒星出現(xiàn)光變現(xiàn)象。我們可以通過(guò)觀測(cè)這種光變，來(lái)判斷是否存在戴森球，進(jìn)而尋找地外文明。
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但是很不幸，截至目前觀測(cè)到的所有信號(hào)，經(jīng)過(guò)反復(fù)分析，并沒(méi)有確鑿的證據(jù)證明地外文明的存在。那既然找了這么久都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，那到底有沒(méi)有地外文明呢？如果有，又有多少個(gè)呢？我們是不是能夠估算一下銀河系中有多少這樣的文明，然后再針對(duì)性地去找一找呢？
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如果你這樣想，說(shuō)明英雄所見(jiàn)略同。1961年，德雷克博士也提出了類似的想法。他認(rèn)為，在進(jìn)行搜尋之前，我們可以先估算一下銀河系里到底有多少能夠與我們交流的地外文明存在。黑板上所寫(xiě)的，就是著名的德雷克公式?？梢哉f(shuō)從1961年開(kāi)始，地外文明這個(gè)概念，從科幻小說(shuō)逐漸走入現(xiàn)實(shí)生活，成為了一個(gè)科學(xué)問(wèn)題。
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這張圖展示的就是德雷克公式，它的作用是告訴我們?nèi)绾喂浪沣y河系中存在的地外文明數(shù)量。可以看到，公式中有很多參數(shù)，接下來(lái)我會(huì)一點(diǎn)點(diǎn)給大家介紹。在這個(gè)過(guò)程中，大家也可以想一想，如果想估算地外文明的數(shù)量，應(yīng)該考慮哪些因素。
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比如說(shuō)，我們第一個(gè)能想到的是行星都得繞著恒星轉(zhuǎn)。那么，既然我們認(rèn)為地外文明都生活在行星上，如果想估算銀河系中有多少地外文明，我們是不是可以先估算一下銀河系中有多少個(gè)恒星呢？
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所以，我們先從估算恒星數(shù)量入手。在估算恒星時(shí)，我們采用的方式是，先確定銀河系每年產(chǎn)生恒星的數(shù)量，再乘以恒星存在的時(shí)間長(zhǎng)度，以此得出銀河系中恒星的總數(shù)。這其中，第一個(gè)參數(shù)就是銀河系中每年產(chǎn)生恒星的數(shù)目，這是目前這個(gè)公式里測(cè)量最為精確的一項(xiàng)。
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比如說(shuō)，美國(guó)航天局（NASA）以及歐洲空間局（ESA）利用最新的設(shè)備進(jìn)行估算，結(jié)果表明銀河系中每年大約產(chǎn)生1.5-3個(gè)恒星。為了便于整個(gè)公式的估算，我們可以粗略地將參數(shù)范圍設(shè)定為每年產(chǎn)生1-10個(gè)恒星。這就是德雷克公式中的第一個(gè)參數(shù)。
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那么，第二個(gè)參數(shù)是什么呢？它指的是在這些恒星擁有行星的可能性有多大。這同樣是有觀測(cè)證據(jù)支撐的。在地球上，我們運(yùn)用光變、光譜以及成像等觀測(cè)手段，對(duì)所能觀測(cè)到的所有恒星周?chē)M(jìn)行探測(cè)，發(fā)現(xiàn)好像絕大部分恒星都有行星環(huán)繞?；诖?，我們初步認(rèn)為這個(gè)概率可能是1，就是每有1顆恒星，它周?chē)涂赡艽嬖?顆行星。
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但是，科學(xué)需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。因?yàn)椴糠趾阈翘祷蚓嚯x太遠(yuǎn)，我們無(wú)法觀測(cè)到它們，自然也就不確定它周?chē)行堑那闆r。所以，在這種情況下，我們可以相對(duì)保守地估計(jì)，1顆恒星擁有行星的可能性約是1/10。
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到目前為止，前兩個(gè)參數(shù)的估算具有較高的可信度。而再往后的參數(shù)，可能就包含一些猜測(cè)的成分了。比如說(shuō)，即便有了這些行星，也并不是所有行星都能孕育生命，對(duì)吧？這就涉及到“宜居帶”這個(gè)概念。
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什么是宜居帶呢？首先，行星不能離恒星太近，太近就太熱了，一切都可能被燒毀；但也不能太遠(yuǎn)，太遠(yuǎn)就太冷了，所有物質(zhì)都會(huì)被凍住。所以，人們提出了宜居帶的概念，就是在恒星周?chē)嬖谶@樣一個(gè)區(qū)域，只有當(dāng)行星處于這個(gè)區(qū)域里，才是非常適宜生命成長(zhǎng)的行星。
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當(dāng)然，還有一種非典型的宜居帶，比如在土星和木星周?chē)男l(wèi)星，雖然它們離恒星很遠(yuǎn)，但能接收到土星和木星釋放的能量，從而也可以產(chǎn)生水，并且溫度適宜。此類非典型宜居帶在太陽(yáng)系里也是存在的。
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目前在太陽(yáng)系中，我們觀測(cè)到的處于宜居帶的天體大約有10個(gè)?；诖耍覀儤?lè)觀估計(jì)，其他恒星系統(tǒng)也可能有這么多，即大約10個(gè)。但太陽(yáng)系或許比較特殊，因?yàn)槿绻阈琴|(zhì)量太小，它的宜居帶就會(huì)特別窄，在這么窄的區(qū)域里，很有可能不存在行星，也就是我們所說(shuō)的沒(méi)有宜居帶行星。所以，對(duì)于宜居帶行星數(shù)量的估計(jì)，保守來(lái)說(shuō)是1/10，而樂(lè)觀估計(jì)則像太陽(yáng)系這樣，有10個(gè)。
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有了宜居帶的概念后，接下來(lái)的問(wèn)題就是：在這些宜居帶里，究竟有多少行星能夠孕育出生命呢？目前，這方面的數(shù)據(jù)觀測(cè)還不夠充分。就拿太陽(yáng)系來(lái)說(shuō)，我們觀測(cè)到大約有10個(gè)處于宜居帶的區(qū)域，然而截至目前，只在地球上發(fā)現(xiàn)了生命。雖說(shuō)其他地方也有可能存在生命，但由于觀測(cè)手段的限制，我們還沒(méi)有得到確切結(jié)果。
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基于這種情況，我們樂(lè)觀估計(jì)，10個(gè)宜居帶天體里可能有1個(gè)能產(chǎn)生生命，也就是概率為1/10。但還有另一種可能性，我們目前所觀測(cè)到的或許只是一小部分情況。也許太陽(yáng)系中還有更多宜居帶天體，但即便如此，它們依然產(chǎn)生不了生命。所以，從保守角度估計(jì)，宜居帶里的行星或天體產(chǎn)生生命的概率就變?yōu)?/100。所以，這個(gè)概率范圍大致在1/100到1/10之間。
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我們繼續(xù)往下思考：生命進(jìn)化為智慧生命的可能性有多大呢？這次，我們只能以人類本身的情況為參照，因?yàn)槲覀兯^測(cè)到的地球是目前唯一的樣本。
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就目前地球的情況而言，生命確實(shí)進(jìn)化出了智慧生命，所以我們可能會(huì)非常樂(lè)觀地認(rèn)為這個(gè)概率是100%。但是，有些科學(xué)家并不認(rèn)同這一觀點(diǎn)。他們指出，恐龍?jiān)诘厍蛏辖y(tǒng)治了1億多年，但始終沒(méi)有進(jìn)化為智慧生命。而人類從類人猿，確切地說(shuō)是從直立人開(kāi)始，僅用100萬(wàn)年就進(jìn)化出了智慧生命。所以，不能簡(jiǎn)單地將生命進(jìn)化為智慧生命的概率認(rèn)定為100%。
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因此，有些科學(xué)家認(rèn)為，在地球的整個(gè)歷史長(zhǎng)河中，智慧生命的歷史只有100萬(wàn)年。那么我們保守估計(jì)，生命進(jìn)化為智慧生命的可能性約為1/5000。這樣，對(duì)于生命進(jìn)化為智慧生命概率的估算，我們就得到了一個(gè)介于1/5000到1之間的范圍。
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接下來(lái)探討的是，智慧生命真正發(fā)展成為通信文明的可能性有多大。我們?cè)俅我匀祟愖陨頌槔?，就人類從智慧生命發(fā)展到可以發(fā)射信號(hào)這一過(guò)程而言，我是個(gè)樂(lè)觀派，我認(rèn)為這個(gè)概率是100%。我認(rèn)為，只要存在智慧文明，就一定會(huì)發(fā)展出像電磁波交流這樣的通信方式。為什么這么說(shuō)呢？因?yàn)槿硕紤校枷肽茏诩依锞湍茳c(diǎn)外賣(mài)，不需要出門(mén)就能達(dá)成各種需求，所以一定會(huì)催生無(wú)線電通信的出現(xiàn)。
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但是，也有科學(xué)家持不同觀點(diǎn)。他們認(rèn)為這并不一定。想一想，地球上曾經(jīng)存在過(guò)的文明可能有100多個(gè)，像古埃及文明、古巴比倫文明以及阿茲特克文明等等。但實(shí)際上，真正發(fā)展出可用于交流的電磁波文明，可能真的只有在近代科技革命之后才實(shí)現(xiàn)。以這種方式來(lái)估算，從智慧文明發(fā)展成為星系通訊文明的可能性只有1/100。所以取值范圍在1/100到1之間。
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到現(xiàn)在，前面幾個(gè)相關(guān)可能性都估算完了，最后我們來(lái)看看文明的長(zhǎng)度。
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文明的長(zhǎng)度受很多很多因素影響。我們無(wú)法預(yù)測(cè)，只能進(jìn)行推測(cè)。比如說(shuō)，文明的長(zhǎng)度取決于什么呢？其一是自然災(zāi)害，像海嘯、干旱、小行星撞地球等情況，都可能大幅縮短文明的存續(xù)時(shí)間。其二是人類自己導(dǎo)致的毀滅，在天災(zāi)人禍中，人禍方面，比如不小心泄露病毒，可能致使人類滅絕；還有大國(guó)間爆發(fā)核戰(zhàn)爭(zhēng)，互相扔核武器，最后也會(huì)導(dǎo)致人類滅絕。就像愛(ài)因斯坦所說(shuō)，他不知道第三次世界大戰(zhàn)會(huì)用什么武器，但他知道第四次世界大戰(zhàn)人們將用木棒和石頭，因?yàn)槟菚r(shí)人類已退回原始社會(huì)。
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基于這些情況，我們沒(méi)法確切估算人類文明到底能持續(xù)多久，只能猜測(cè)。從悲觀角度看，如果人類接下來(lái)真的因核戰(zhàn)爭(zhēng)走向滅絕，即便有少數(shù)人茍延殘喘，文明可能500年左右就終結(jié)了。但是，樂(lè)觀來(lái)看，文明或許可以延續(xù)100萬(wàn)年。這是因?yàn)?，如果一個(gè)文明一直致力于發(fā)展科技并保持和平，等它的技術(shù)足夠發(fā)達(dá)，就可以克服上述所有困難。比如，病毒來(lái)了，我們可以研發(fā)出最好的藥物治療；小行星來(lái)了，我們可以給它炸掉；海嘯來(lái)了，我們可以搬走。所以，當(dāng)文明發(fā)展到足夠高度時(shí)，實(shí)現(xiàn)100萬(wàn)年的存續(xù)并非不可能。
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在完成對(duì)所有參數(shù)的估計(jì)后，我們來(lái)簡(jiǎn)單做個(gè)總結(jié)。左邊是悲觀估計(jì)，右邊是樂(lè)觀估計(jì)，我們都想知道，銀河系中到底有多少個(gè)可交流的地外文明呢？得到的結(jié)果，悲觀估計(jì)是千萬(wàn)分之一，樂(lè)觀估計(jì)則可達(dá)1000萬(wàn)個(gè)。
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同學(xué)們可能會(huì)說(shuō)：“老師，你這跟沒(méi)回答一樣啊，這數(shù)字跨度也太大了?！逼鋵?shí)我想和大家說(shuō)，要準(zhǔn)確估算這個(gè)數(shù)字，需要非常好的模型，還得有非常好的觀測(cè)數(shù)據(jù)作為支撐。
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我剛才給出了更為寬泛的范圍，而最新的研究成果來(lái)自于諾丁漢大學(xué)的同事們。他們針對(duì)銀河系中可交互文明的數(shù)量概率做了一項(xiàng)研究，得出的結(jié)果是36個(gè)。
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當(dāng)然，這個(gè)數(shù)據(jù)的不確定性非常大。這里邊包含了一些非常主觀的假設(shè)，這些假設(shè)進(jìn)一步增大了結(jié)果的不確定性。但不管怎么樣，這項(xiàng)研究給我們提供了一個(gè)預(yù)測(cè)，而這樣的預(yù)測(cè)是我們非常喜歡看到的。相信在未來(lái)，隨著觀測(cè)手段的進(jìn)步，我們能夠做出更好的預(yù)測(cè)。
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自從有了德雷克公式后，地外文明研究領(lǐng)域便開(kāi)始蓬勃發(fā)展起來(lái)。科研論文的數(shù)量大幅增長(zhǎng)，各種科研數(shù)據(jù)也日益豐富。隨著研究的不斷深入，這個(gè)領(lǐng)域的研究范圍變得更廣泛、更細(xì)致、更深入，并且更遙遠(yuǎn)。這里說(shuō)的“更遙遠(yuǎn)”，指的是研究范圍不再局限于銀河系，而是拓展到了宇宙中更遠(yuǎn)的地方。
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德雷克博士于2022年去世。為了紀(jì)念他對(duì)天文學(xué)領(lǐng)域所做出的貢獻(xiàn)，《自然》雜志專門(mén)刊發(fā)了一篇文章紀(jì)念他。相信在未來(lái)，地外文明的研究還會(huì)持續(xù)深入地開(kāi)展下去。
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好，最后我們來(lái)做一些簡(jiǎn)單的總結(jié)，并談?wù)剰闹蝎@得的啟發(fā)。我們?cè)谂ふ业赝馕拿鞯耐瑫r(shí)，也許其他文明也在試圖找到我們。那么，如果我們希望自己被發(fā)現(xiàn)，根據(jù)德雷克公式，我們能夠掌控的因素只有兩個(gè)因素：一是智慧文明發(fā)展為可交流文明的可能性，二是延長(zhǎng)我們自身文明的存續(xù)時(shí)長(zhǎng)。
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根據(jù)這兩點(diǎn)啟發(fā)，如果未來(lái)我們想把行星級(jí)文明提升為恒星級(jí)文明乃至星系級(jí)文明，就一定大力發(fā)展科技，并且秉持和平共處的理念。
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最后一個(gè)啟發(fā)是，雖然德雷克公式給出的結(jié)果范圍寬泛，但它背后的邏輯是對(duì)的，我們可以用這種方法去解決同類問(wèn)題。
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這里給大家留一個(gè)思考問(wèn)題，大家回去可以想一想。在整個(gè)學(xué)校里，和你各方面相似的同學(xué)有多少個(gè)呢？比如身高差不多、跑步速度差不多、跳繩數(shù)目也差不多的同學(xué)大概有多少。大家可以試著估算一下。
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今天的內(nèi)容就講到這里。謝謝大家！
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