“我的世界是一個(gè)充滿(mǎn)發(fā)現(xiàn)的世界，一個(gè)星球的世界。”諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院物理學(xué)教授迪迪?！た迤潱―idier Queloz），帶領(lǐng)聽(tīng)眾開(kāi)啟了一場(chǎng)關(guān)于天體物理學(xué)的奇妙之旅。
11月17日上午，第十三期“浦江科學(xué)大師講壇”在復(fù)旦大學(xué)相輝堂舉行?？迤澮浴跋低庑行歉锩捌鋵?duì)宇宙生命的影響”為題，與上海市高校及中學(xué)師生代表面對(duì)面暢談。
1995年，在攻讀博士學(xué)位期間，奎洛茲與導(dǎo)師米歇爾·馬約爾（Michel Mayor）共同發(fā)現(xiàn)了首顆太陽(yáng)系外繞恒星運(yùn)行的行星。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)引發(fā)了天文學(xué)領(lǐng)域的革命，并推動(dòng)了系外行星研究這一領(lǐng)域的誕生，從根本上改變了人類(lèi)對(duì)自身在宇宙中地位的認(rèn)知。
宇宙中到底還有沒(méi)有其他生命存在？這個(gè)宏大且根本的命題，是奎洛茲近年來(lái)深耕的研究方向。不過(guò)他強(qiáng)調(diào)，尋找人類(lèi)下一個(gè)居住地絕不是他的最終目的。“我們共同擁有一個(gè)偉大的星球——地球，探索系外行星的目的絕不是為了離開(kāi)家園，而是為了在地球上和平生活。這里是人類(lèi)的家。”
上海市政協(xié)副主席吳信寶出席講壇并為奎洛茲頒發(fā)“浦江科學(xué)大師講壇”主講人證書(shū)，復(fù)旦大學(xué)校長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士金力主持講壇。上海市政協(xié)科技和教育委員會(huì)、市科技工作黨委、市科委、市教委、市科協(xié)、世界頂尖科學(xué)家協(xié)會(huì)以及復(fù)旦大學(xué)各職能部門(mén)和院系的相關(guān)負(fù)責(zé)人、上海市高校及中學(xué)師生代表出席活動(dòng)。
觀(guān)察“神秘的搖擺”，叩開(kāi)系外行星的大門(mén)
在茫茫夜空中，恒星閃耀奪目，而不發(fā)光的行星卻暗淡難察。那么，行星是怎么被探測(cè)到的？
“行星是通過(guò)對(duì)恒星的觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)的?！?/span>奎洛茲將時(shí)間線(xiàn)拉回到30年前，當(dāng)時(shí)的天文學(xué)界并未掌握系外行星存在的明確證據(jù)，他的研究方向也并非尋找行星，而是測(cè)量恒星速度的變化。
1995年，奎洛茲借助一種特殊的方法——“視向速度法”，在飛馬座51這顆恒星的光譜中，捕捉到一種極其微弱的、規(guī)律性的“搖擺”。這種搖擺是由一顆圍繞其運(yùn)行的行星的引力導(dǎo)致的，就像跳舞時(shí)兩個(gè)人互相牽引一樣。
這好比是聲波，靠近你時(shí)，波就聚在一起；遠(yuǎn)離你時(shí)，波延展開(kāi)來(lái)。通過(guò)這種方式，我們就可以知道天體是朝向我們運(yùn)動(dòng)或是遠(yuǎn)離我們?！昂阈堑墓庖彩侨绱?，當(dāng)它因受到看不見(jiàn)的行星引力拉扯而朝向或遠(yuǎn)離我們運(yùn)動(dòng)時(shí)，其光譜也會(huì)發(fā)生類(lèi)似的顏色偏移。”奎洛茲介紹。
此前，還沒(méi)有人以這種方式發(fā)現(xiàn)過(guò)所謂的“系外行星”。當(dāng)奎洛茲發(fā)現(xiàn)這顆搖擺的恒星時(shí)，他甚至懷疑是儀器發(fā)生了錯(cuò)誤，但反復(fù)檢查儀器后，神秘的搖擺卻一直存在?？迤澖o他的導(dǎo)師馬約爾發(fā)了一份傳真，“我想我找到了一顆行星?！?/p>
神秘的搖擺最終揭示了系外行星的存在，這顆行星被命名為“飛馬座51b”，成為了人類(lèi)歷史上發(fā)現(xiàn)的第一顆圍繞太陽(yáng)系外的恒星運(yùn)行的行星。這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著系外行星研究領(lǐng)域的重大突破，并為此后的系外行星搜尋奠定了基礎(chǔ)。
飛馬座51b行星
首顆系外行星的發(fā)現(xiàn)帶來(lái)了新的、令人期待的可能——宇宙之中，一定有更多的系外行星。“其實(shí)宇宙中行星的形態(tài)，比我們?cè)谔?yáng)系里看到的豐富得多得多”，奎洛茲分享，三十年以來(lái)，他們已經(jīng)深刻認(rèn)識(shí)到，宇宙中行星的種類(lèi)浩若煙海，可能是任何尺寸、任何質(zhì)量、任何結(jié)構(gòu)。
天文學(xué)家利用望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)遙遠(yuǎn)行星的大氣層的特征，越來(lái)越了解系外行星的那片天空。有的行星的大氣層會(huì)吸收其繞轉(zhuǎn)恒星發(fā)出的部分星光，從而在最終到達(dá)地球的星光上留下印記。科學(xué)家研究這些印記，以找到太陽(yáng)系外行星大氣中各種分子特征的證據(jù)：氧、氫、鈉、鐵甚至水蒸氣。
“除了地球，我們沒(méi)有證據(jù)能夠證明宇宙中的其他地方存在生命，但沒(méi)有證據(jù)并不等于證據(jù)不存在。”奎洛茲展示了對(duì)一些系外行星大氣的探測(cè)結(jié)果，包括二氧化碳和甲烷等關(guān)鍵分子的吸收譜線(xiàn)特征。即使這些分子本身并不等同于生命存在的直接證據(jù)，但它們提供了潛在的化學(xué)環(huán)境線(xiàn)索，使研究者能夠推測(cè)行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以及是否具備生命形成的重要前置條件。
生命的真諦是什么？生命是怎么產(chǎn)生的？在奎洛茲看來(lái)，隨著物理學(xué)的發(fā)展，我們正在慢慢逼近這些問(wèn)題的最終答案。“其實(shí)，生命就是從一開(kāi)始被寫(xiě)入宇宙基因之中的某一個(gè)地方，并在某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上出現(xiàn)的現(xiàn)象?！?/strong>他說(shuō)。
當(dāng)“太陽(yáng)系不再特殊”，一場(chǎng)顛覆認(rèn)知的科學(xué)革命
在飛馬座51b被確認(rèn)之前，天文學(xué)界雖然推測(cè)存在系外行星，但始終缺乏直接的觀(guān)測(cè)證據(jù)。在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，人類(lèi)既看不清“近鄰”，也數(shù)不清有多少“鄰居”，太陽(yáng)系被視為宇宙中孤獨(dú)而特殊的所在。
可以說(shuō)，飛馬座51b的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了決定性的影響——奎洛茲與導(dǎo)師第一次以可靠數(shù)據(jù)證實(shí)：太陽(yáng)系并非宇宙的特例，行星系統(tǒng)是宇宙的普遍結(jié)構(gòu)之一。
“這是一個(gè)巨大的認(rèn)知上的轉(zhuǎn)變。”奎洛茲感嘆。在過(guò)去三十年中，天文學(xué)家確認(rèn)的系外行星數(shù)量已達(dá)數(shù)千顆，其質(zhì)量、體積、密度和軌道結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)出遠(yuǎn)超太陽(yáng)系的多樣性。從體積介于地球與海王星之間的“超級(jí)地球”“迷你海王星”，到公轉(zhuǎn)周期僅23小時(shí)、溫度足以蒸發(fā)鐵金屬的“超熱木星”……行星的類(lèi)別迅速?gòu)奶?yáng)系的寥寥幾種樣本，擴(kuò)大到由無(wú)數(shù)“陌生世界”組成的宇宙譜系。
隨著這些觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的累積，人類(lèi)第一次能夠在統(tǒng)計(jì)意義上描述宇宙中的行星分布，推動(dòng)行星形成、遷移理論的不斷發(fā)展。但這場(chǎng)革命最深遠(yuǎn)的影響，是將我們引向?qū)ι顚哟蔚淖穯?wèn)——我們?cè)谟钪嬷惺欠窆陋?dú)？
奎洛茲表示，觀(guān)測(cè)系外行星“會(huì)給我們帶來(lái)宇宙中是否存在宜居帶和生物的證據(jù)”。在他主持的劍橋大學(xué)宇宙生命中心，生命探索已從抽象假設(shè)轉(zhuǎn)化為一系列可執(zhí)行的研究路徑，包括行星適居性研究、大氣光譜測(cè)定、化學(xué)反應(yīng)分析等。換言之，飛馬座51b也因此成為行星研究邁向生命科學(xué)的歷史性節(jié)點(diǎn)。
“地球是唯一的嗎？為什么生命在地球上出現(xiàn)了？這是迄今為止都沒(méi)有答案的問(wèn)題。”奎洛茲說(shuō)。但隨著觀(guān)測(cè)技術(shù)的增強(qiáng)和數(shù)據(jù)的積累，天文學(xué)家得以在更廣的樣本中探索“生命可能需要的條件”，諸多停留在理論推測(cè)中的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)和行星大氣組成正在成為可測(cè)量的物理量。
“但如果您想象的是外星人駕駛宇宙飛船造訪(fǎng)地球，那也許只是電影情節(jié)?！彼f(shuō)。真正值得關(guān)注的，是那些可能已經(jīng)消失但仍留有痕跡的生命形式?！拔覀兛赡軙?huì)在火星上找到外星生命存在過(guò)的證據(jù)……或許只是細(xì)菌的痕跡。但請(qǐng)記住，在地球生命的故事中，我們的祖先是細(xì)菌。”
那么，宇宙中真的有其他生命嗎？我們還需要多久才能找到證據(jù)？面對(duì)這個(gè)所有人都關(guān)心的問(wèn)題，奎洛茲笑說(shuō)：“科學(xué)的魅力就在于，我們不知道。它可能明天就發(fā)生，也可能需要五十年。但有一點(diǎn)是肯定的，它一定會(huì)發(fā)生。”在他看來(lái)，正是人類(lèi)的好奇心與持續(xù)探索，才讓這些關(guān)于生命的終極追問(wèn)不斷向前推進(jìn)。
宇宙中真的存在智慧生命嗎？他的答案是肯定的
“您為何選擇了天體物理學(xué)作為自己的研究領(lǐng)域？”面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)學(xué)生提問(wèn)，奎洛茲分享，他一開(kāi)始并不知道自己喜歡什么，而且對(duì)于大學(xué)專(zhuān)業(yè)還有些“選擇恐懼癥”。
高中時(shí)，他的物理和數(shù)學(xué)都學(xué)得不錯(cuò)，因此他在大學(xué)很自然地選擇了物理學(xué)。而選擇天體物理學(xué)研究，則主要是因?yàn)樗莻€(gè)熱愛(ài)戶(hù)外運(yùn)動(dòng)的人。“做粒子物理學(xué)就要一直待在實(shí)驗(yàn)室里，見(jiàn)不到陽(yáng)光。做天文研究還可以經(jīng)常爬山。”他笑著坦言。
當(dāng)年，奎洛茲在博士生階段發(fā)現(xiàn)了第一顆系外行星，令整個(gè)天文學(xué)界震動(dòng)。有聽(tīng)眾好奇，為何他在如此年輕的時(shí)候就有此成就。奎洛茲分享到，對(duì)科學(xué)的好奇心是他前進(jìn)的最大動(dòng)力。“如果你擁有強(qiáng)烈的熱情，那么你在工作中更可能取得成功”，他鼓勵(lì)年輕學(xué)子們勇敢追逐自己的夢(mèng)想，因?yàn)椤叭松谇胺?，而非在過(guò)往。”
近幾年，奎洛茲將研究方向轉(zhuǎn)向了類(lèi)地行星的探測(cè)與宇宙生命的探索。盡管至今沒(méi)有發(fā)現(xiàn)地外生命的直接證據(jù)，但他是一位堅(jiān)定的“樂(lè)觀(guān)探索者”。“沒(méi)有證據(jù)，不代表不存在（Absence of evidence is not evidence of absence）?！彼钥低螒蚺e例說(shuō)明，雖然我們可以輕松預(yù)測(cè)出許多種演變結(jié)果，但總體而言，我們無(wú)法在一開(kāi)始就判定一個(gè)模式的命運(yùn)。如果先入為主地認(rèn)為地球生命是進(jìn)化塑造的獨(dú)特產(chǎn)物，就很容易掉入“奇點(diǎn)陷阱”。
工業(yè)革命以來(lái)，人類(lèi)顯著改變了地球的大氣成分。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，人類(lèi)技術(shù)是否能夠區(qū)分一顆擁有工業(yè)化文明的行星和一顆沒(méi)有工業(yè)化文明的行星？奎洛茲認(rèn)為，從技術(shù)層面來(lái)說(shuō)，只要探測(cè)器足夠靈敏，我們完全可以做到這一點(diǎn)，科學(xué)界也確實(shí)在思考如何探測(cè)其它星球上的技術(shù)活動(dòng)痕跡。比如最極端的情況，就是一個(gè)星球上爆發(fā)了核戰(zhàn)爭(zhēng)，其大氣中會(huì)殘留獨(dú)特的放射性同位素，但他希望這種情況永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生。
比起生命痕跡，技術(shù)痕跡的探測(cè)更加困難。因?yàn)榧夹g(shù)活動(dòng)持續(xù)時(shí)間較短，強(qiáng)度可能較弱，難以和自然活動(dòng)相區(qū)分；而且技術(shù)文明本身就可能是宇宙中的稀有事件。生命可能在宇宙中普遍存在，但生命演化出能夠進(jìn)行技術(shù)活動(dòng)、具有宇宙意識(shí)的物種，概率可能非常低?！皬倪@個(gè)角度來(lái)說(shuō)，人類(lèi)能夠擁有技術(shù)文明、能夠思考宇宙的奧秘，是非常幸運(yùn)的——這是一份禮物，我們應(yīng)該珍惜它。”他說(shuō)。
近年來(lái)，太空望遠(yuǎn)鏡在紅外和可見(jiàn)光波段的探測(cè)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，取得了出色的結(jié)果。那么紫外波段的探測(cè)又會(huì)有什么新發(fā)現(xiàn)呢？奎洛茲回應(yīng)，紫外波段探測(cè)能夠提供恒星—行星相互作用的關(guān)鍵信息，具有很高的價(jià)值。而且目前，我們對(duì)小質(zhì)量恒星的紫外輻射了解不足，因?yàn)槠漭椛淞坎蛔?，探測(cè)難度較大。
科學(xué)界對(duì)新一代紫外波段觀(guān)測(cè)設(shè)備的興趣正在增長(zhǎng)。因?yàn)樽贤廨椛錈o(wú)法穿透地球大氣層，所以人類(lèi)必須通過(guò)太空觀(guān)測(cè)器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。復(fù)旦大學(xué)已于去年發(fā)射“復(fù)旦一號(hào)（瀾湄未來(lái)星）”，其中搭載了紫外探測(cè)設(shè)備，未來(lái)有望制定詳細(xì)的探測(cè)計(jì)劃，奎洛茲對(duì)探測(cè)結(jié)果表示期待。
作為一名科學(xué)家，奎洛茲也熱愛(ài)閱讀科幻小說(shuō)、觀(guān)看科幻電影，尤其喜歡斯坦利·庫(kù)布里克（Stanley Kubrick）的電影。他認(rèn)為科幻的目的不在于提供一份“right or wrong”的答案，而是試圖探討未來(lái)可能發(fā)生的事情。
那么，世界上真的存在外星人嗎？他們會(huì)像《三體》小說(shuō)中描繪的一樣影響我們的生活嗎？面對(duì)來(lái)自聽(tīng)眾的提問(wèn)，奎洛茲給出了堅(jiān)定的回答：“我認(rèn)為地球以外存在生命，因?yàn)槲覠o(wú)法相信生命在地球上是獨(dú)一無(wú)二的，有如此多的行星，那里一定有生命，這種生命可能只是細(xì)菌的痕跡。但在銀河系中，我們是稀有的，可能是唯一意識(shí)到宇宙存在的智慧生命。”
