一隻又死又活的薛定諤的貓

第二十一章 哥白尼原則之爭

　　哥白尼原則是由數學家兼天文學家邦迪（Hermann Bondi，1919-2005）在20世紀中期提出來的一種哲學陳述：在宇宙間，地球並不處於中心的優越地位，人類也不具有一個特殊觀測者的身份。這個概念後來被進一步擴展為在宇宙間沒有一個觀測者占有特別的位置。哥白尼原則這個名詞雖然在60多年前才開始使用，但其思想早在哥白尼於1543年發表日心說（地球圍繞太陽運行，而不是太陽圍繞地球運行）的時候就已經誕生了，而且自那時起就一直是天文學和宇宙學的一條重要指導原則。哥白尼的日心說把地球的地位從宇宙的中心降為太陽係中的一顆普通行星，伽利略的望遠鏡又進一步發現太陽也不過是銀河係裏數不勝數的恒星中的普通一員。

　　不過，對哥白尼原則的質疑和挑戰也從來沒有停止過。且不說來自宗教方麵的強力抵製，單在科學方麵它也遭遇過一次又一次的衝擊。在20世紀初，著名荷蘭天文學家卡普坦（Jacobus Kapteyn，1851-1922）根據當時所掌握的天文觀測結果，推論出太陽係位於銀河係的中心，而銀河係則是孤懸於宇宙中的一個“宇宙島”。這就賦予了太陽係一個特殊地位，以致很多人都以為哥白尼原則從此被打破了。然而，僅僅十幾年之後，大量新的觀測結果就顯示出太陽係不但不在銀河係的中心，而且像銀河係這樣的星係在宇宙中比比皆是。

　　另一次對哥白尼原則的嚴峻挑戰也發生在1900年左右。當時流行的一種關於行星形成的理論認為，隻有在另一顆恒星曾經非常接近太陽的情況下，圍繞太陽運行的行星才有可能生成。盡管宇宙中類似於太陽的恒星多如牛毛，但由於兩顆恒星非常接近的概率極低，因此伴有行星的恒星可能隻太陽係一家，也就是說太陽係具有其獨特的地位。要想推翻這一理論，就必須找到太陽係外的行星。這可比否定前麵提到的卡普坦理論難得多了。雖然科學界多年來一直普遍相信應該存在有太陽係外行星，但相信與證實之間是有一條巨大鴻溝的。這主要是因為天文望遠鏡的分辨率有它的極限。分辨率就像尺子上的刻度，我們無法拿尺子去量一個比其刻度小很多的東西。如果用d表示某個行星與它所圍繞運行的恒星之間的距離，用R表示該恒星到地球的距離，要想在天文望遠鏡裏將這個行星與對應的恒星區分開來，望遠鏡必須大體上能分辨到d/R（以弧度角為單位）的精度。以地球到太陽的距離作為d的估計值，即使是離地球最近的恒星（太陽除外）其d/R的數值也隻有大約0.000004.再加上恒星很亮而行星要暗得多，這就使直接“看”到太陽係以外的行星極為困難。證實在太陽係之外存在行星，是最近十幾年的事（首例是在1992年）。它們中的絕大部分是靠觀測恒星的運動或亮度變化而推斷出來的。真正能“看”到的太陽係外行星隻有屈指可數的幾顆。

　　到目前為止，已經觀測到了550多顆太陽係外行星。毋庸置疑，今後被觀測到的太陽係外行星的數量還會以更快的速度增加（據估計，光是我們所在的銀河係裏就有大約500億顆行星）。人們現在最感興趣的已經不是找到多少行星，而是尋找具備生物生存條件的行星。最近，法國科學家利用極複雜的計算機模擬方法，論證了距地球20光年的Gliese 581d（圍繞恒星Gliese 581運行的一顆行星）具有潛在的可居住性。它的軌道離Gliese 581不遠不近，擁有大氣層，表麵溫度可允許液態水存在。這些都是能夠產生和維持生命的有利條件。當然，這僅僅是推斷。以現有的技術，要想直接知道太陽係外行星上的確切狀況，是完全不可能的。主要原因之一是行星圍繞運行的恒星所發的光太亮。所以有些科學家建議用火箭及一種尚屬保密的技術，將一塊足球場大小的“遮陽板”放到太空裏去。利用這塊“遮陽板”擋住來自恒星的光，就有可能直接觀察到行星表麵上的情況（比如是否有山川、河流）以及分析大氣層的成分和構成該行星的物質。不過這項計劃是否真能付諸實施尚在未定之天，主要是經費問題，少說也得十幾億美元。

　　雖然已經證實了太陽係外行星的大量存在，但圍繞哥白尼原則的爭論並沒有因此而止息。隨著越來越多太陽係外行星的被發現，爭論的主戰場已經從尋找行星轉移到了是否存在地球外生命等方麵。應運而生的天體生物學就是對地球外生命進行綜合研究的一個新學科。

　　以現有的技術水平，不要說去太陽係之外的行星，就是想登上太陽係的其它行星去尋找生物也不是件容易的事。不過有一點是不難想象的，就是這些行星上的自然環境可能會比地球表麵要惡劣很多倍。根據美國國家航空航天局火星探測器發回的資料，基本上可以肯定生物不能在火星表麵生存。但這並不意味著在火星表麵之下的岩層深處生物也不可能生存。尤其是有跡象顯示火星上曾經有過水及現在在表麵之下還存有大量的冰，這就更增加了在岩層裏發現火星生物的可能性。盡管現在還無法到火星上去挖掘，但先看看地層深處的岩石中是否有生物生存卻是可能的也是很有意義的。2007年被《時代周刊》列為世界上最具影響力的100人之一的普林斯頓大學教授斯托特（Tullis Onstott）是這方麵的先驅。但在90年代中期，當他首次提出到南非金礦中距地麵之下數公裏深處去尋找可能存在的生物時，整個科學界都認為這是異想天開。他甚至連資助這項研究的基金都申請不到，因而不得不自掏腰包，拿出6000美元，來開始他的導致劃時代發現的“地下之旅”。幸運的是，他很快就發現了能在地下5公裏深處生存的微生物。這些微生物生活在我們通常認為生物根本無法生存的環境之中，它們不但能“動”，而且還能分裂。雖然這種分裂可能一個世紀才發生一次，但畢竟說明它們可以複製自己，這是生物體的關鍵特征之一。幾年之後，斯托特和他的同事們又在地下深處的岩層裏找到了一種奇特的細菌，它們在暗無天日的環境中可能已經生存了300萬至4000萬年，僅靠利用周圍岩石放射性衰變釋放的輻射能量、極少量的礦物質和從岩縫中滲漏下來的一點點水分來滋養。它們不僅有DNA、能夠“傳宗接代”，而且明顯還活著！斯托特的研究團隊給這種了不起的細菌起了一個具有特別含義的名字：Desulforudis audaxviator（拉丁文，意思是嗜熱且大膽的旅行者。出自凡爾納的著名科幻小說《地心遊記》中李登布羅克教授得到的一張羊皮紙上所寫的一句話，這張羊皮紙是引導他進行地心探險的指南）。

　　像斯托特那樣到地球上那些環境極差的角落去搜尋生物，一直是天體生物學的一項重要課題。除了岩層裏，人們在南極的冰層之中和堿性極高的荒漠土壤裏都發現有微生物可以生存。這些發現從側麵支持了地球外可能存在生物的看法。不過，不論是在地下深處的岩層裏還是南極的冰層中找到的生物，它們畢竟是地球上的生物。最有希望發現真正地球外生命的地方，還是大家都熟悉的火星。在孩童的時候，很多人大概都聽過或看過有關火星人的科學幻想故事。遺憾的是，現在已經百分之百地證實了火星上沒有火星人。不過，火星上還是可能存在或存在過生命的。幾十年來，關於火星上是否有生物的論爭已經反複了好幾次。第一次高潮是1976年7月及9月美國的海盜1號和2號探測器在火星著陸，由天體生物學的先驅者萊文（G。V。Levin）設計的一項實驗“證實”，探測器挖到的火星土壤樣本中有某種生物體。這在當時是爆炸性的新聞。可沒過多久，這一結論就被一些別的科學家推翻了，因為萊文的實驗結果也可以用樣本中存在有某些其它非生物體的物質來解釋。第二次高潮則是在1996年，美國國家航空航天局的麥凱（David McKay）等人在最權威的科學期刊《科學》上發表了一篇關於在編號為ALH84001的火星隕石裏發現生命跡象的文章。其實麥凱在該文中還是比較留有餘地的，他隻說發現了可能是來自微生物的殘留物，而並沒有說發現了微生物的化石。不過在媒體的炒作下，這一研究結果很快被外界解讀為“火星上有生命的證明”，其震撼效應可想而知。連美國總統克林頓都在演講中專門提及此事，“如果這一發現被確認，它將肯定是有關我們宇宙的最驚人的科學發現之一”。與萊文的命運頗為相似，麥凱的發現不久就受到了科學界的質疑，至少有8篇論文指出這些殘留物可以產生自其它非生物的過程。不過麥凱和他的支持者們並沒有投降，這方麵的爭論起起伏伏一直持續到今天。

　　兩次大起大落之後，相關領域裏的科學家們都意識到在這個問題上下結論必須慎之又慎。一項甚至某一方麵的孤立證據是遠遠不夠的。近年來最受人關注的新發現是在火星的大氣層裏觀測到大量的甲烷。在地球的大氣層裏，百分之九十的甲烷都是產生自生物體。因而這一發現很可能意味著火星上有或有過生物體。這方麵研究的重量級人物之一是美國國家航空航天局的馬馬（Michael Mumma）。他所領導的研究組對火星大氣層中甲烷含量的分布做了係統的測量，這項工作目前還在進行中，他們希望繪製出盡可能完整的火星甲烷分布圖，然後用這張圖與已知的火星表麵上可能有過水或表層之下可能有冰的區域進行對照（生物體與水密不可分），以期能定位出幾個最有可能存在生物的地方。這對將來發射探尋生物的火星探測器具有重要意義，因為探測器的活動範圍有限，能否降落在“正確”的地區是極為關鍵的。

　　馬馬和他的同事們所進行工作非常繁瑣和細致，需要有極大的耐心。這不是大多數急功近利的人願意幹的。馬馬這個人也確實與眾不同，他能成為一名科學家這件事本身就有點不可思議。馬馬的家庭屬於福音聯合弟兄教會的基本教義派，換句話說，就是出身於一個宗教信仰極強的家庭。然而他從小喜歡獨立思考，11歲時就用在學校學到的科學知識來質疑牧師關於上帝創造世界的說法。他的家族自1731年移居美國後，一直生活在賓夕法尼亞州鄉間的農場裏。馬馬是第一個離開農場出去闖世界的。他不僅選擇了科學研究作為自己的職業，而且目前所致力的工作更直接挑戰宗教的一個基本觀點--地球是唯一有生物的地方。

　　要想最終給火星上是否有生命這個問題畫下句號，必須靠登陸到火星上的實地考察。計劃於今年年底發射的“火星科學實驗室”比以前在火星上著陸的各種探測器都先進很多倍，它上麵有一套叫做火星樣品分析的儀器，目的就是對火星的大氣、水文、土壤、岩石等等進行精確和係統的分析，希望能發現生命存在的蛛絲馬跡。不過，美國國家航空航天局這回刻意避免使用“探測生命”之類的字眼，生怕再一次誤導民眾。另外，歐洲空間局與美國國家航空航天局還聯手製定了新一代火星生物探測計劃（ExoMars）。其中預定於2016-2018年發射的探測器可能會攜帶把樣品送回地球的裝置，如果真能實現，對火星的研究將進入一個新紀元。

　　圍繞哥白尼原則的爭論並不單單是純科學的爭論，其中還夾雜了很多宗教的和哲學的因素。比如對基督教來說，雖然可以承認地球不在宇宙的中心，但人類必須是唯一的，否則基督降世以拯救人類之說就難以立足了。從某種意義上講，也可以說這是一場信仰之爭，因而也就很難分出最終的勝負。即使科學家們贏得了現階段的勝利--真的找到了地球外生命，反對派還是可以提出新的挑戰（比如說，宣稱具有高智力的人類是宇宙間唯一的）。其實，不斷有新的挑戰出現並不是一件壞事，科學本身就是在不斷克服各種挑戰的過程中向前發展的。總體上來看，在這場持續了幾百年的爭論中，讚成派似乎在取得節節勝利，隻是每攻占一塊陣地都要付出極大的努力和花費很久的時間。