銀河系至少存在36個智慧文明，真的嗎？

（原文刊登於泛科學）

不久前（2020 年 6 月），國內外各大媒體紛紛報導，英國諾丁漢大學（University of Nottingham）的科學家研究發現，銀河系至少應有 36 個智慧文明，吸引了許多人的眼球。無獨有偶，在 2018 年便有報導指出，英國牛津大學人類未來研究所（Future of Humanity Institute）的學者公布，人類是銀河系中唯一高等智慧物種的可能性高達 53% 至 99.6%。明明是類似的問題，相隔兩年的研究卻得出完全不同的結論，讓人看得一頭霧水。

滿天的星星裡還有其他文明存在嗎？這是個人類討論了很久的議題。圖/ by FelixMittermeier@Pixabay

究竟，這些關於外星文明的數量估計，是怎麼做出來的？又是否可信？我們短期內有多大機率證實外星生命的存在？寶傑你怎麼看？

費米悖論：外星人在哪兒？

科學史上關於外星文明的討論，最知名的例子，莫過於物理學家恩里科‧費米（Enrico Fermi，1901–1954）和另外三位同事──包括氫彈之父愛德華‧泰勒（Edward Teller，1908–2003）──之間的對話。

那是在 1950 年夏天的洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）。四人於中午前往用餐時，在路上聊到當時的目擊幽浮報導，以及紐約客雜誌刊載外星人偷竊垃圾桶的漫畫，以解釋市區垃圾桶莫名消失的謎團。雖然一行人並不認為報導裡的幽浮來自外星球，但仍討論起星際旅行的可能性。

費米問泰勒：「在接下來十年內，我們有多大可能，會看到超光速物體的明確證據？」當泰勒回答百萬分之一後，費米說：「這太低了，較可能是百分之十。」當話題結束，大家圍繞餐桌坐定、開始用餐之後，費米突然又冒出一句：「所有（外星）人都到哪兒去了？」

這就是知名的費米悖論（Fermi paradox）：宇宙是這麼地遼闊，充滿數不清的恆星，總會有生命於地球之外的地方誕生；而在宇宙悠久的 138 億年歲月中，應有足夠長的時間，讓這些外星生命發展出高度智慧文明；甚至，只需要一定的太空技術，在相對宇宙壽命極短的時間內，約千萬年之譜，就能殖民整個星系。那麼，為什麼地球人完全看不到任何跡象，顯示他們存在？

紐約客雜誌於1950年刊載外星人偷竊垃圾桶的漫畫，同時解釋了當時的幽浮目擊事件，與垃圾桶消失迷團。Alan Dunn (May 20, 1950)，The New Yorker。（圖片來源）

主動搜尋外星訊號

儘管沒有人知道費米悖論的真確答案，卻有不少人試圖提出可能的解釋，如外星人早就來過、外星人故意不跟我們接觸、我們探索的方式不對、外星生命來不及演化出文明就滅絕了、智慧文明無法避免地會自我毀滅（值得地球人警惕！）、外星人跟我們想的不一樣、地球真的是特別的存在……等等。

然而，不用等理論解釋為什麼，實際搜尋外星人的計畫早就開始進行。

十九世紀末，古列爾莫‧馬可尼（Guglielmo Marconi，1874–1937）發明無線電報系統，利用無線電波發送和接收電碼，電報也從此不再需要靠電線傳送──鐵達尼號失事的時候，也多虧無線電報，才有許多人獲得拯救。到了二十世紀初，利用無線電波傳遞聲音的技術被發明，廣播節目開始出現在我們的生活中；此後，地球人就陸續嘗試搜尋外星人發出的電磁波訊號。

1924 年 8 月，火星軌道運行進入非常接近地球的位置，僅距離 55,777,566 公里，提供了偵測火星人的絕佳機會。天文學家大衛‧佩克‧托德（David Peck Todd）在美國軍方的幫助下，將無線電接收器設置在離地三公里的飛船上，從 8 月 21 日到 23 日共計三十六小時內，嘗試接收火星人的無線電訊號，並備有軍方的密碼學家幫忙解譯；同時，所有無線電台每逢整點都會停止發送五分鐘，避免造成干擾。只可惜，這次實驗沒有得到任何有意義的結果。

1924年當時，美國軍方的電報要求無線電站密切留意任何不尋常的訊號。（圖片來源）

到了 1960 年，美國康乃爾大學（Cornell University）的年輕天文學家法蘭克‧德雷克（Frank Drake），利用位於西維吉尼亞州綠堤（Green Bank）的無線電望遠鏡[1]，分別觀測了距地球 10.5 光年的天苑四（Epsilon Eridani）和 11.9 光年的天倉五（Tau Ceti），花了數個月搜尋可能的外星智慧文明訊號，卻沒有任何收穫。

似乎，真的沒有外星文明發送電磁波訊號到宇宙中。不過，有此能力的外星文明多嗎？

德雷克方程式：智慧文明有多少？

1961 年 10 月底，德雷克在綠堤舉辦研討會，邀請所有想得到、對搜尋地球外智慧生命有興趣的科學家與會。然而，作為會議唯一的主辦人，德雷克被庶務忙得焦頭爛額，根本來不及安排議程。另一方面，該年度的諾貝爾化學獎得主將在會議期間公布，而謠傳中的得主正好就是會議參加者――加州大學柏克萊分校的生物化學家卡爾文[2]；德雷克還得煩惱張羅香檳，以備萬一。

因為缺乏完善的議程規劃，又為了討論更能聚焦，就在參加者報到的前一天，德雷克思考了銀河系內、有能力使用電磁波訊息交流的智慧文明數目（以字母 N 代表），並假設有七個因素決定了 N 的多寡，分別為：

• \(R^*\)：銀河系中恆星形成的平均速率[3]
• \(f_p\)：恆星擁有行星的比例
• \(n_e\)：行星系中，支持生命生存的行星╱星體數量[4]
• \(f_l\)：支持生命生存的行星╱星體上，誕生生命的機率
• \(f_i\)：存在生命的行星╱星體演化出智慧生命的機率
• \(f_c\)：智慧生命文明裡，有多少比例發展出可被偵測到訊號的科技
• \(L\)：智慧文明持續向太空發送可偵測訊號的時間長度

只要把上述七個參數相乘，就能評估出銀河系中可交流智慧文明的數目――這就是知名的德雷克方程式：\( N=R^*\cdot f_p\cdot n_e\cdot f_l\cdot fi\cdot f_c\cdot L \)

1961 年 11 月 1 日，德雷克把公式寫在會議廳的黑板上，作為議程的討論主軸；當時的他並不知道，這個方程式日後常被認為是科學史上重要的方程式之一，甚至成為現今思考外星生命存在問題的架構――就連德雷克本人都表示非常驚訝（無誤）。

法蘭克‧德雷克攝於2012年的照片。By Raphael Perrino - Flickr: Dr. Frank Drake, CC BY 2.0

德雷克公式告訴我們什麼？

德雷克公式提及的七個參數，只要有任何數值上的變動，都會大大影響我們觀測到外星智慧生命的可能性；偏偏，裡面有許多參數都難以評估，無法給出準確的數值，誤差範圍極大。

在上個世紀 60 年代，科學界只對第一個參數R*（銀河系中恆星形成的平均速率）稍有概念，也完全不清楚剩下的參數數值為何。當時，尚未有任何太陽系外行星的觀測證據，更無從推測生命誕生於系外行星的可能性。

現代，隨著科技的進步，我們對德雷克方程式裡的參數已更有概念。根據目前的觀測結果，幾乎每個恆星都擁有自己的行星；換言之，方程式的第二個參數 f_p（恆星擁有行星的比例）相當接近 1。此外，有 22% 的類太陽恆星，在適居帶擁有地球尺寸的行星──這無法完全決定第三個參數 n_e（行星系中，支持生命生存的行星╱星體數量），但很有參考價值。

至於剩下四個參數，就算到了今天，我們若不是所知有限，就是一無所知──這一點也不奇怪，畢竟人類至今唯一能拿來參照的實例，也就只有地球而已。

在 1961 年的那場會議，德雷克和其他科學家們，針對不同參數分別給出了數值範圍的預估，最後得到 N（銀河系內可交流的智慧文明數目）約在 20 到 50,000,000 之間。

從 1961 年的估計，我們可以看見，因為德雷克方程式裡的參數不確定性太大，使其幾乎不具有預測能力。若以開頭所提到、今年六月的新聞來說，雖然宣稱銀河系中有 36 個智慧文明，但只要查看論文，就會發現其範圍實際上是 4 到 211（\(36_{-32} ^{+175}\) ）；而且，研究團隊在過程中還做了許多假設，才得出這樣的數字。換句話說，只要稍微更動假設，結論就很可能天差地遠──儘管如此，在目前有限的科學證據下，最多也只能做到這樣了。

永不放棄對外星生命的探問

儘管德雷克方程式能給予我們的資訊非常有限，但其貢獻仍不可抹滅：它提供了一種看待問題的架構，將「銀河系內可交流的智慧文明數目」拆開、化簡，成為數個單純因素的組合。

自從德雷克方程式面世之後，許多人套用類似的架構，提出不同的修改版本；如麻省理工學院（MIT）教授莎拉‧西格爾（Sara Seager）就參考德雷克方程式，將「大氣層可偵測到生命印記（Biosignature）的行星數目」分解為數個參數，以推估下一個十年、我們有多大可能性主動發現這些孕育生命的系外行星。最後她發現，以現有的地球科技所及，能找到且存在生命的系外行星，可能只有兩個──在不考慮誤差的狀況下，情況並不樂觀。

至於費米悖論，目前雖然尚無法得到解答，但依據近年的觀測證據，再加上對德雷克方程式、和其他修改版的估計，或許，我們無法太過理想性地認為，銀河系充滿了智慧生命等待交流──考量到宇宙漫長的歷史、與無窮盡的遼闊，縱使外星智慧文明真實（或曾經）存在，也不見得剛好能被地球人發現。

從無線電廣播發明至今，僅約莫百年；可以想像，如果有外星智慧生命要靠電磁波訊號偵測到地球人的存在，不但必須距離地球一百光年之內，而且科技程度還得恰恰好在這幾十年、至少發達到足以接收我們的訊號，且不能因為外在環境或自身緣故而毀滅──怎麼想都不是容易的事。

而德雷克在綠堤研討會提出他的方程式之後，除了持續天文學相關工作，甚至主導了傳送訊息給外星文明的活動：1974 年，在其他研究者──包括知名天文學家與科普作家卡爾‧薩根（Carl Sagan，1934–1996）──的幫助下，他們設計的訊息從波多黎各阿雷西博天文台（Arecibo Observatory），以強力的電磁波發送向距離地球 25,000 光年的球狀星團 M13，內容包括了人類的DNA 結構，和太陽系的介紹等等，史稱阿雷西博訊息（Arecibo Message）。儘管人類可能永遠無法收到回覆，在宇宙中傳播的阿雷西博訊息，卻已成為地球文明曾經存在的證據，等待很久很久以後，某個遙遠星系的外星文明觀測到它。

阿雷西博訊息。此處標示的顏色為分類、方便閱讀之用，原始訊息不包括顏色。（圖片來源）

就算目前對外星生命的探尋一無所獲，但宇宙總是充滿各式驚奇與可能；或許，在可見的未來，我們就會從系外行星的大氣層發現外星生命存在的印記，甚至接收到外星文明的訊號也不一定。願原力與你同在！生生不息，繁榮昌盛！（一秒同時惹怒Star Wars和Star Trek粉絲）

註釋

• [1] 該望遠鏡在當時由美國國家電波天文台（National Radio Astronomy Observatory）營運，位於美國國立無線電寂靜地帶（National Radio Quiet Zone）。
• [2] 梅爾文‧埃利斯‧卡爾文（Melvin Ellis Calvin，1911 – 1997），美國化學家，1961年諾貝爾化學獎得主。
• [3] 恆星中質量最小、溫度最低的紅矮星原本不被包括在定義裡；現代的版本已將其納入。
• [4] 原本的定義中，只考慮行星的數量，但德雷克之後將其擴充，以包括所有星體。行星系中支持生命生存的星體不必然是行星，衛星也是可能的選擇；例如木星的衛星「歐羅巴」（Europa）在表面的冰層之下，可能擁有液態水海洋，也被認為是外星生命可能存在的地方。

參考資料

1. "Where is everybody?": An account of Fermi's question, Eric M. Jones, Los Alamos technical report, March 1985.
2. How My Dad's Equation Sparked the Search for Extraterrestrial Intelligence, Nadia Drake, National Geographic, June 30, 2014
3. An Equation to Estimate the Probability of Identifying an Inhabited World Within the Next Decade, Sara Seager, MIT, 2013
4. 《悖論：破解科學史上最複雜的9大謎團》，吉姆‧艾爾─卡利里，三采文化（2013）
5. Prevalence of Earth-size planets orbiting Sun-like stars, Erik A. Petigura, Andrew W. Howard, and Geoffrey W. Marcy, PNAS 110 (48), November 26, 2013
6. It's the 25th anniversary of Earth's first (and only) attempt to phone E.T., Bill Steele, Cornell Chronicle, November 12, 1999
7. Wikipedia: Drake equation
8. Wikipedia: Search for extraterrestrial intelligence