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移除书签行星和它们的居民
月亮上是否有人居住，天文学家了解这个问题的确切程度可以说就像他知道谁是自己的父亲一样，而并不像他了解他的母亲一向是何许人那样。
格奥尔格·克里斯托夫·利希滕贝格 (GeorgChristophLichtenberg，
1742—1799）
由于角动量因素，恒星的诞生还是和上一章所讲的有所不同。群星和星际物质都在绕银河系中心运动。可是各个分立云团同时也都在绕它们自己的中心转动，这种自转运动不仅持久不衰，并且在星际气体云团和尘埃云团紧缩以形成恒星时反而会加强。这个因素的影响是深远的。紧缩造成自转变快，离心力增大。后者使云团赤道区的引力减弱，使紧缩着的云团形状变扁，到后来只能形成一个旋转圆盘（参见图 13－1）而并不会像拉森的计算那样变为一颗完美的球状原恒星。和前一章我们所了解的过程相比，看来一切都变了样。
我们的行星系证明，原始物质的自转运动在太阳形成过程中起了重要作用。行星都沿着同一方向围绕太阳公转，它们的轨道几乎都位于同一平面内，就好像它们确实起源于一个扁盘中并且还在反映其自转那样。还有另一个启示是，作为中心天体的太阳虽然几乎集中了太阳系的全部质量
（行星只分到总质量的 13‰），但是简直没有什么角动量。太阳系的角动量包含在行星的公转运动中。看来就好像坍缩星际云中的物质真会巧安排，它重新分配了阻碍它形成恒星的角动量。初始物质中一小点质量几乎抓走了全部角动量，构成了一批行星，使得几乎失去了所有角动量的绝大部分质量能形成一个拉森式的中心星体。
用计算机求解行星起源问题
法国数学家拉普拉斯（Laplace）和德国哲学家伊马努埃尔·康德早就猜想过，认为太阳和行星是由一个自转着的原始星云形成的。当前，人们已经试图用电子计算机来搞清这种演变过程。下面要讲的内容根据加利福尼亚天体物理学家彼得·博登海默（Peter Bodenheimer）与维尔讷·恰努特共同研究所得到的结果。本来他们想要解释的是太阳和行星的起源， 但是计算结果完全是另一回事。
当人们勇敢地试图解答更难一步的问题时，才体会到用计算机模拟球对称过程是多么容易。在球对称的情况下，任何时刻一切东西只决定于离
中心的距离。拉森模型中如果有一个质点在某一时刻受到加热，那么距离中心和它一样远的，也就是和它处在同一球面上的所有物质同时受到加热。如果这种物质没有自转，球对称就是良好的近似，因为包含在坍缩过程中的每个质点不管来自什么方向都经受同样的作用力。
有了自转，对称性就受到干扰。从两极方向飞来的质点受力与来自赤道方向的质点不同。如果球对称不存在了。这样人们就面临极端复杂的情况了吗？不是的，某种程度的对称性依然存在。例如在赤道平面内，许多质点在轨道运动中向中心点移近时尽管来自四面八方，但这些质点受力的大小和它们的轨道偏向何方无关。这种情况称为轴对称过程。虽然这还不算最坏的局面，用计算机求解轴对称问题仍是一大难题。虽说如此，人们还是有办法。博登海默和恰努特用计算机对一团自转坍缩云的演变进行了探索（见图 13－2）。开始阶段的情况和拉森模型一样：云团坍缩，中心出现一个浓密区。但是随着云团进一步紧缩，离心力的作用愈来愈明显， 云团愈来愈扁，终于成为一个扁盘。只有自转轴附近的物质继续向中心下落，赤道面的气体向中心移近的速度则非常缓慢，乃至完全停滞。得到的结果不是一个核心而是一个圆盘，下落的物质不是来自四面八方而只是沿着轴向进入。厚度只有赤道半径 1/8 的这个圆盘所占的空间范围很广，约为最远行星即冥王星轨道半径的 120 倍。它绕中心轴自转一周大约需要 30 万年。
这样的结果并没有完全符合人们的期望。本来的意愿是想要在内心区产生一个原始太阳，在这个太阳的周围又最好来上一个圆盘，后者天长日久便会孵育出众行星。可是，博登海默-恰努特圆盘并没有中心太阳之类的天体，物质最密集之处却在中心往外 17 倍冥王星轨道半径的周围空间形成了一个环状体。出了一个环，而不是一个中心天体！从侧面看这个环像图 13-2 下方小图的情景，从正面看它时像图 13-3 上方小图的样子。
事后看来，这样的结果也并不奇怪。这种模型中为什么物质没有流聚在中心区，却要堆积在一个环状体内呢？原来是离心力阻碍了物质聚向中心，是物质的角动量在作怪。前面我们就已经讲过这样的体会，大自然在太阳系的形成中把物质和角动量彼此分了家，以致到如今物质聚于太阳而角动量归于行星。博登海默和恰努特在计算中假定每克物质所具有的角动量始终保持不变，其实角动量有点像热通过物体传导那样，也会透过物质而转移，他们二人如果计入这一因素，不妨重新演算一番。但是这样做要碰到的一个难题是，尽管我们知道把角动量从圆盘某处输送到别处的作用过程有好些种，可是，并不清楚哪一种是起决定性的作用。磁场固然可能消除部分圆盘的角动量，使物质得以在中心区聚成一团，但是湍流运动连同摩擦过程好像也能做到这样。
即使到现在，人们对液体和气体的湍流运动也还认识肤浅。这种现象又是我们非常熟悉的。从高压龙头流出来的水柱不是均匀地外流，而是千
姿百态，变幻莫测。山涧流水是不规则湍流运动的又一个实例。湍流运动在产生恒星的自转物质盘的研究中起重要作用，这点冯·魏茨泽克早在二次大战的时期就认识到了。40 年代后期到 50 年代初期曾经有一个年轻物理学家小组在哥廷根和他一起研讨这个问题。其中有一位学者所写的博士论文的主题正是自转气体盘中角动量的迁移。他叫雷马·吕斯特（Reimar Lüst），就是现任马克斯·普朗克学会主席。恰努特在 1979 年用计算机得出，圆盘中的角动量由于物质的湍流运动而重新分布，会出现一个中心核乃至一颗中央星。可惜人们对于自转与湍流兼而有之的气体盘的特性了解得太少，还不能从理论上定量地算出质量与角动量究竟是怎样分的家。这个问题我们暂且讲到这里。天体物理学家必须先掌握角动量如何穿
越物质而迁移的作用过程，才能继续前进。不过，好像不光是天体物理学家对如何处理自转圆盘的角动量问题弄不确切，就是大自然本身也似乎未必在这点上事事清楚。
双星的起源
上面所讲的计算得出了一个环状体，这使我们研究所的一个研究小组人人心中不安：如果碰巧自然界对于应如何重新分配角动量所具有的智慧正好贫乏得和博登海默与恰努特一个样，将会发生什么呢？如果真的产生了那样的环状体，又会有什么样的后果？我们没有在自然界找到启示。我们在宇宙中只观测到恒星，并没有见到绕着空无所有的中心自转的物质环。那么这种环状体究竟发生了什么变化呢？
如果再去用计算机探究这种演变，就会遇到一种新的严重困难。原来还是轴对称的环，这时，连这一特性也不存在了。用计算机探明这种演变不仅要求计算储存量很大，而且必须研究出一套新的复杂计算方法来。幸运的是
1977 到 1978 年维尔讷·恰努特（Werner Tscharnuter）、卡尔-
海因茨·温克勒尔（Karl－HeinzWinkler）和哈罗德·约克（Harold Yorke）
正巧都在我们研究所。年轻的波兰天体物理学家米夏尔·罗席契
计算程序，算出了博登海默-恰努特环状体的演变结果。图 13-3 清楚地介
绍了他们的结果。在 1 万年内，环的两对侧会各自形成一处较稠区，并且愈来愈密，5 万年后成为两团相互绕着运转的星际云，再往后就能演变为两颗恒星。计算机为我们表演了一对双星的诞生！
这也许反映了自然界的两种可能性。一种情况下角动量保留在物质内，经历环结构阶段而形成双星。另一种情况下质量与角动量会相互分家，产生出只占少许角动量的中央星，沿着各自轨道围绕中央星公转的则是质量小而角动量大的行星群。如果真是这样，我们只能认为所有的单星周围都有行星在绕着它们运转。
人类孤独吗
尽管我们还没有完全了解星际云究竟是怎样演变成行星系的，但是原始物质的角动量对于行星的起源乃至人类本身的存在起了关键的作 用，这点是没有疑问的。这样看来，好像一切单星周围都会有微小的行星绕着转，只因离地球遥远而没有被我们探察到。既然太阳周围拥有行星可能不是独一无二的现象，那么我们作为行星上存在的居民难道会是唯一的情况吗？也许银河系中充满了行星，行星上居住着进化阶段相 仿，或较为初级，或较为高级的各种生物。在银河系中我们是孤门独户呢？还是另有等待着我们去联络交往的别的文明社会呢？
奥兹玛计划和阿雷西沃信息
1960 年 5 月，美国绿岸射电天文台的学者把一架射电望远镜指向天仓五（鲸鱼座τ星） 。有没有从这颗星方向发来的波长为 21 厘米的射电辐射，是这些美国天文学家探查的目的。用同样的办法试图收听的对象还有恒星天苑四，也就是波江座ε。这两颗星是怎样被选上的呢？它们离我们比较近，但并不是最近的星。一颗星的光需要 11 年，另一颗星
则需要 12 年才能传到地球。这两颗星不仅温度、光度和质量与太阳十分类似，而且年龄也和太阳不相上下。
既然我们所在的太阳周围有一批行星绕着转，其中一颗上载有能造出无线电发射机的技术文明，难道那两个太阳就不该伴有具备技术文明的行星吗？
假如那里真的有生物，他们的技术发展水平和我们一样，那么我们能不能接收到他们发射的信号呢？我们自己早就向宇宙空间发射电波 了。1945 年刚过，人们成功地把雷达脉冲发往月球并收到了回波。登上月亮的宇宙航行员和远征太阳系边陲的空间探测器，可以按地球上发出的无线电指令进行调整。人们已经用雷达天线把无线电脉冲发射到了金星，而且接收到了雷达回波。我们不妨假想，把这座天线运往远方，架设在围绕另一个太阳运动的某个行星上！在这种情况下，用绿岸射电天文台的 26 米望远镜在 9 光年外还能收到这座天线发出的信号。如果用艾
费尔高原埃弗尔斯堡的 100 米射电望远镜去探测这架雷达发射机，那么
能观察的距离可以扩展到 30 光年。而太阳周围这么远的范围内已经包含
恒星达 350 颗之多。如果用地球上那样的技术设备从其中之一的行星上发出电波，那么我的同事和朋友彼得·梅茨格尔与理查德·维勒宾斯基
（Richard Wielebinski）用这架望远镜应该能毫不含糊地倾听其信号。天文学家在绿岸认真地监测天仓五和天苑四达 3 个月之久，可是并
没有听到所搜寻的信号。于是这个课题只好暂停，让位给别的射电天文观测项目。根据童话王国奥兹（OZ）而取名叫奥兹玛（OZMA）的这一计划就这样结束了。用行话来说，它又叫做“小绿人”计划。小绿人却总是杳无音信。
这能责怪对方吗？我们有没有体会到自己也担负着星际信息交流的责任呢？我们做到了向别的星球系统地发送信息没有？除了 1974 年 11 月
16 日的一次短时间定向发送以外，我们作出的努力还很不够。那一次试验，人们用了波多黎各岛上阿雷西沃镇附近的射电望远镜发送了一组历时3 分钟的信息。由于这一天线能高度精确地对准目标，发送所及的距离也特别远。对准什么目标为好呢？人们把信息发往武仙星座中的一个球状星团，那是群星密集的场所，人们只要发送一下就能管到 30 万个太阳周围
的行星。经过 24000 年后，信息就会传到。如果那时有一个文明社会用一
架威力足够的射电望远镜，正好在关键的 3 分钟内指向我们的方向来听测，就能收到阿雷西沃信息；谁也难说这有多大的可能。阿雷西沃信息送往宇宙空间的时候正是在望远镜翻新后，人们想让它具有某种象征性意义罢了。人类想要和宇宙中别的文明社会联络通信，就必须有计划地探测， 而对方也必须有计划地发送信息①。
在把我们的某些情况告诉其他文明社会的非系统性试验之中，还包括木星探测器先驱者 10 号和 11 号各带一块雕刻镀金铝饰牌（见图 13-4）。这两个飞行器完成了探测木星的任务后会飞出太阳系而奔向宇宙空间。像阿雷西沃信息那样，它们带去了有关我们在宇宙中的位置和关于人类本身的情况。别处的智慧生物只要把这种宇宙名片拿到手，就能了解我们相当多的情况，不过对他们将成为不解之谜的是我们的背面长相如何。
生物进化的漫长岁月
我们在宇宙中是不是独一无二，也就是别的星球上或其邻近有没有生命存在？这个问题的提出比我们知道恒星是别处的太阳还要更早。尼古劳斯·冯·屈斯（NikolausvonKues，1401-1464）和乔尔丹诺·布鲁诺
（GiordanoBruno，1548—1600）都曾为此伤过脑筋。为此，两人之中一位幸免于难，另一位不得不在烈火中为真理而献身。
讲到银河系中其他天体上的生命问题，这里只打算谈那种和地球生命的化学成分类似的情况；特别要提出来作为先决条件的是，这种生命离不开液态水。我们想知道，在某行星上是不是已经存在类似人类甚至进化阶段更高的生物。不论是这两种情况的哪一种，像地球上那样长的演变年代
① 想更多了解星际通信的读者不妨读一读赖因哈德·布罗伊尔（ReinhardBreuer）的 KontaktmitdenSternen
（和星星联系）一书，1978 年法兰克福市 Umschau 出版。
看来总是必需的。南非德兰士瓦省翁弗瓦赫特的发掘结果告诉我们，早在35 亿年前地球上就存在过比较高级的单细胞生物蓝藻，而人们估算的地球
年龄只比这个数量大 10 到 15 亿年。所以我们要搜索的对象星周围应该具
备这样的条件，使原始生物至少已有 40 亿年之久能稳定地向较高级生物进化。
让我们来回顾一下我们这个行星上的生命发展史。天文学家海因里希·西登托普夫（1906—1963）作过这样的形象比喻：假想我们能把大约50 亿年长的地球史压缩成一年，那么原来的 1 亿年就变成 1 个星期，实际
演变中的 160 年就转化为一秒钟。这样一来，从宇宙和银河系最老的恒星
起源到太阳和地球的形成用这样的压缩时间表示大约经历了 1 年。假定太
阳系的行星，包括地球，形成于第二年的 1 月份。那时大气的主要成分还是氢，也就是宇宙中最丰富的元素。后来，氢逃脱了地球引力的束缚，氮和氧成为地球大气的决定性成分。可是早在氢大气时代，简单的生命形态已经出现，而 3 月份就有了翁弗瓦赫特单细胞生物。生物仍在不断进化，
但是我们了解得比较确切的只有假想压缩年的最后 6 个星期，这是因为得到了由化石揭示的信息。在此期间大部分的氢已经逃散，各类生物的习性转而与氧相适应。11 月末是植物，稍后是动物征服了各个大陆；曾经在地球上称雄 1 星期之久的古代巨形爬虫类，在圣诞节两天假日①期间灭绝了；
12 月 31 日 23 时出现了“北京人”②；新年来临前 10 分钟，尼安德特人才
来送旧迎新；夜半前 5 分钟，现代人种诞生了；新年只差 30 秒钟时，世
界历史记载开了头。就在这最近 30 秒钟内地球上的人数增加了百倍。这种增加在最末若干秒内更是急速，光是最近一秒钟间全球人口就增长为原先的 3 倍。在除夕花炮上天前不到 4/10 秒钟的时候，人类开始发射无线电广播节目。
尽管地球从诞生以来的大部分时间中都孕育着生物，但是我们称之为文明的年代却只占生物存在时期的一个微乎其微的分数。
银河系中散布着百万个栖息生物的行星吗
生物进化的过程如此漫长，把它和恒星演化的时间去对比没有什么不恰当。我们知道，天上有的恒星那样年轻，甚至爪哇猿人曾经是它们诞生的见证人。在这种恒星周围的行星上，目前高级生物还来不及形成。我们也知道，大质量恒星发光发热只有几百万年，这对于生物进化实在太短暂了。看来合适的对象只有从质量相当于或小于太阳的恒星中去找。银河系大约共有恒星千亿，其中绝大多数的质量都算“合格”，这是因为质量较
① 12 月 25—26 日——译者注。
② 指中国猿人——译者注。
大的恒星终究甚少。
除了百分之几的少数例外，银河系中恒星的发热年代都很长，足以使智慧生物渐渐形成。但尚不清楚的是这些星有没有行星围绕着它们转，因为只有在围绕恒星公转的天体上才能具备液态水所需的温度。可惜天文学家对别的太阳周围的行星还一无所知。由于它们实在太遥远，即使离我们最近的一些恒星确有这种伴侣天体绕它们转，人们也还没有能做到用望远镜直接观测这些微乎其微的对象。可是话说回来，别的太阳周围也有行星绕着转，这是非常可能的；首先，人们要打破生活在一个独特太阳系中这样一种概念的束缚。科学发展史曾一次又一次地表明，那种把人类放在宇宙中特优地位的想法，都是错误的信念。
我们已经了解，宇宙物质的角动量很可能使单星周围形成行星系。人类自己所处的行星系也支持这种观点。巨大行星木星和土星甚至以它们的卫星群在周围组成了具体而微的“行星系”，看来这也要归因于角动量。因此，单星周围都有行星系在运转的假想是合理的。
如果在恒星形成的过程中由于角动量因素而产生了一对双星，那么即使在此以前行星曾经出现过，它们也应该在不长的宇宙演变岁月中不是落到其中的一颗星上，就是被甩到宇宙空间。因为认真观测表明半数以上的恒星是双星，所以银河系中算下来还剩大约 400 亿恒星伴有行星。
问题又来了：这些行星与各自恒星的距离是否合适呢？一个行星至少应该满足的条件是它与所属恒星的距离使得辐射在它表面造成液态水所 需的温度。在太阳系中，水星极靠近太阳，而离太阳比火星更远的所有外行星则受阳光照射太弱，不够温暖。别的恒星周围的行星我们始终还没有见到，怎样才能知道它们之中有多少已经具备了距离恒星恰到好处的条件呢？我们的办法只有和自己所处的行星系类比。地球无疑地处在太阳系生命带内部，火星和金星靠近此带边缘。“水手”号探测器拍得的照片表明， 火星表面的荒凉程度和月球表面类似。尽管火星有大气并且含有水分，但是在它表面上软着陆的一系列“海盗”号探测器经过取土分析并没有发现生物细胞的任何迹象。苏联的一批探测器测得的金星表面温度超过 450 摄氏度，所以金星也不是生物栖息的场所。在太阳系中我们似乎是独此一 家。
只要仔细想想，一个行星必须同时满足多少条件才能栖息生物，我们就会明白，天体具备适于生物的气候是多么希罕的巧例。1977 年，在美国航空航天局工作的科学家迈克尔·H·哈特（MichaelH．Hart）指出，只要把我们对太阳的距离缩短 5％，地球上的生物就会热不可耐而不能生存；这段距离只要加长 1％，地球就要被冰川覆盖。我们所居住的行星伸缩余地是不大的。因此他认为，外部条件合适，使生物能进化到较高级阶段的行星，在银河系中最多只有 100 万个。
在某个行星上如果适宜的气候能维持足够长的年代，生命确实会形成
吗？这个问题应该去问生物学家，而不是天文学家。不过天文学家也能帮一点忙，他了解，除了少数例外，整个宇宙中化学元素的分布大体上是相同的。银河系中离我们最遥远的恒星，甚至别的星系中的恒星，它们的化学组成和太阳一样。没有由硫组成的恒星，也没有由汞组成的云团。压倒多数的情况下宇宙物质的最主要成分是氢，其次是氦，再其次才是其他的化学元素。我们可以向生物学家保证，即使是在一个遥远的，但气候适宜的行星上，他也能找到构成一切有机分子所需的各种物质。射电天文学家在气体云中发现了名目繁多的各种有机分子，其中有乙醇和甲酸，有氰化氢和甲醚。当然，从这类简单有机化合物向那些构成生命基础的复杂分子演变，是一条漫长的道路。让我们假想，凡是可能孕育生命的场所生物实际上都已出现，那么银河系中可能有着 100 万个居住生物的行星，这些生
物也许各自都已演变了 40 亿年，只不过它们理应处在各自不尽相同的进化阶段罢了。
一个文明社会能生存多久？
对于有生物栖息的行星，自然是只有当我们能够以某种方式和他们联系交往时，我们才感兴趣，而无线电信号似乎是这种联系的唯一可能办 法。因此我们要问：银河系内这 100 万行星之中，有多少具备发射无线电信号的技术水平？如果这些地球外生物只要存在就不断发射信号，那么我们就会面对大致有 100 万个发射着信号的行星。可是蓝藻并不会发射无线电信号，而已经被原子弹毁灭了的智慧生物当然也无声无息。这样算来， 合格的就只剩很小一个比例了。也就是说，这 100 万行星之数，既要考虑到一个文明社会具备发射信号的能力这段时期所占的百分比，还要估计到该处生命能维持多久。
这就说到了最大的不定因素！我们只能以自己这一文明社会的经验作为依据。我们达到能向空间发送信号的技术水平，至今不过短短几十年。可是几乎同时，人类就初次造出了只要一次打击就足以灭绝全球一切生命的大规模毁灭性武器。我们人类将会动用这种手段吗？难道一个技术文明社会充其量只有几十年功夫能向空间发送信号，接下来便是自我毁灭吗？ 然而，我们甚至连正式的发送都还没有开始。我们还没有制订出有目的有步骤地向宇宙空间发射信号的科研规划。不过，让我们乐观地假定一个文明社会是能够正确解决面临的问题的。不妨设想它会过上 100 万年的和平富裕生活，因而既能有充分雄厚的财力投入奢侈项目，也有足够的兴趣， 在这整段时间向宇宙空间发送功率强大的无线电信号。这样算来，银河系中 100 万个有生物居住的行星之中只有
100万年 = 100万个
40亿年
也就是 250 个行星目前在发送信号。再假定这些行星是均匀地分布在银河
系中，那么相邻两个发信号的文明社会之间的平均距离约为 4600 光年。
我们发出的信号要飞行 4600 年才能传到离我们最近的发信号的文明社
会，要等回音到达，则从头算起共需 9200 年。由此可见，抓住天仓五和天苑四那样两颗邻近恒星去搜寻简直是大海捞针，因为发信号的行星正好出现在它们身边的概率实在是太小了。看来明智的做法除非是搜遍 4600 光年内所有的类似太阳的单星所发送的信号。
圣经中的巴别通天塔自建造以来还不到 4000 年。如果一个文明社会生存并且发出信号的年代就限于这样一段时间，那么照上面的算法可得， 银河系百万栖息生物的行星之中，当前正在发送信号的只有
4000年 ×100万个
40亿年
也就是只有一个。这意思是除了我们自己以外，眼下在整个银河系中最多还有一个别的文明社会可能会发出信号。要是一个文明社会发送信号的年限只有 1000 年甚至更短，那么我们用射电望远镜去深探银河系，苦觅智慧知音就难免成为徒劳之举。
这里所讲的估算银河系中有多少行星正在发出无线电信号的方法包含了许多不定因素。我在这里并没有把这个数字求得特别准，而是想说明这问题涉及哪些因素。通过这样的假想计算我们明白了一个道理，就是最大的不确定因素是由于我们不了解一个技术文明社会能存在多久。一个文明社会开始发射无线电波后还能保持多长的年代呢？能有一个世纪吗？ 尽管技术发达了，但它还能否存在下去？或是由于技术先进了，它才得以保持生存呢？
我们提出了银河系中地外生命的问题，我们回到了人类在地球上继续生存的问题。
