星文明与时空旅行 江晓原教授在华东师范大学的讲演

星文明与时空旅行 江晓原教授在华东师范大学的讲演（节选）  

http://news.ustc.edu.cn/Article_Show.asp?ArticleID=1945

  关于外星球生命的问题，几个世纪以来经历过好几个阶段：糊里糊涂的推测，无拘无束的猜想，墨守成规的保守观念和毫无想像力的漠不关心，最后，才算成熟。目前已到达采用严谨的科学技术方法来进行研究的实际阶段。这项工作在科学上已经受到尊重，其重要意义也为人们广泛了解。外星球生命的想法，已经到达该实际研究的时候了。

   ——卡尔·萨根（美）

   银河系中有着一至两千亿颗恒星，太阳只是其中普普通通的一颗。在整个宇宙中，星系的数量在十亿以上，银河系只是其中普普通通的一个。想想上面这两个数字吧，难道其中不会产生几个比我们更高级的文明？外星高等文明是否存在，科学上一直是有争论的。

   UFO：外星文明的使者？

   如果完全从常识出发来推论，外星高等文明存在的可能性当然是无法排除的。在外星文明问题上发表过大量作品的卡尔·萨根认为：“我们没有理由自诩为空前绝后或最理想的生物。”但是迄今为止，一个简单的事实是：人类既没有发现外星高等文明存在的证据，也未能提供外星高等文明不存在的证据。因此所有那些被认为是外星高等文明降临地球的现象，都是现今的科学无法解释的。在民间有着大量热心参与者的UFO探索，则经常被严肃的科学家嗤之以鼻，因为这些探索者往往坚信他们所见到的UFO是外星文明使者的飞船，而科学家却认为他们拿不出任何确切的证据。

   现今的科学经常是傲慢的。如果世间有现今科学不能解释的现象，而人们又乐意谈论这些现象，就会被视为对科学权威的冒犯。在外星高等文明是否存在这个问题上，回击这种冒犯的策略通常有两种：一是试图“证明”外星文明不可能存在；二是宣布对外星高等文明的讨论属于“伪科学”之列。

   德雷克公式及其估算值

   讨论外星高等文明是否可能存在，数量可能有多少，可以用到一个“德雷克公式”：银河系中的高等文明数＝恒星总数×恒星拥有行星系统的概率×行星系统中产生生命的概率×生命中产生智慧生命的概率×智慧生命进入技术时代的概率×技术时代的平均持续时间÷银河系年龄。

   这个公式由射电天文学家德雷克与卡尔·萨根提出，在1961年美国科学院空间科学委员会请德里克主持组织的第一次搜寻地外生命的学术会议上，被作为主题来讨论。在这个公式中，银河系年龄有一个大致确定的数值，恒星总数是一个巨大的数值，中间各项则非常小，相乘之后就更小，由于中间各项数值都是估计的，因此当时推算的结果是取值在1000～100，000之间。但是，据说也有人所得估算之值在1～1000之间。若取值为1，就“证明”了外星高等文明不存在——因为这个“1”已经被我们地球占了。当然这个“证明”远不是无懈可击的：

   首先，在逻辑上就有问题：我们从小学的课堂开始，就被告知宇宙是无限的，假如宇宙真是无限的，那么在无限的宇宙中就应该有无限个银河系，因此即使每个银河系中高等文明只有1个，全宇宙的高等文明也必有无限多个。要回避这个“无限”，除非将我们银河系中的高等文明数取作0，但是既然已经有了地球，就无法取作0了。其次，中间各项数值的估计随意性太大，很难有确切值。更大的问题是，公式中的“生命”仅限于地球上的生命模式，而事实上，谁能排除生命还有其它模式（比如说不需要阳光、空气和水）的可能性？而在幻想电影中，生命的不同模式早已经司空见惯，比如影片《病毒》中的病毒，就是一种高智慧的外星生命，但是它们根本就没有形体。

   伪科学抑或现代神话

   将对外星高等文明的讨论归入“伪科学”，虽然省力，但只是对于制止人们讨论问题有作用，对于增进人类的知识则毫无贡献。倒是另一种从哲学出发的思路，将地外文明视为“一个现代性的神话”，有一定的道理。比如认为地外文明是一个无法进行科学检验的问题，因为即使往返最近的恒星，也需要数百万年，而数百万年之后，谁知道地球文明会变成何种光景。姑不论恒星际航行的技术目前还根本未被人类掌握，即使掌握了，往返时间如此之长，对人类也毫无疑义。

   当然这种思考问题的思路，也不是完全无懈可击的。第一，即使人类还不能去，但外星文明如果掌握了更高的星际航行技术，他们可以来啊；第二，尽管目前人类能够进行的初级航天速度确实很慢（相对于遥远的恒星际空间而言），但是超光速航行、寻找虫洞（能够快速进行时空转换的特殊通道）、低温休眠等等方法，都已经出现在科学家的想象中，在科幻电影中则早已经被使用了无数次了，例如在《异形》系列、《太空杀人狂》等电影中，使用的办法就是低温休眠。在这类电影中，星际航行已经成为家常便饭。这些技术将来实现的可能性也不能绝对排除。这些都可能使得外星文明从“神话”变为具有科学意义的问题。假定飞船能够以接近光速的速度飞行，相对论的时间效应会产生怎样的结果？宇航员是长眠还是永生？这些问题都是富有挑战性的。

   星际航行和“戴森球”：智慧外星人会不会和我们联络？

   将UFO视为外星文明的使者，首先会引出这个问题：星际航行是不是可能？只有得出肯定的答案，UFO才有可能是外星文明的使者。

   对于恒星之间的星际航行，科学家已经设想了许多种技术方案。首要问题是速度——起码要有光速的十分之一光景，通往最近恒星的宇宙航行才有现实意义，否则的话航程持续亿万斯年，谁能胜任？而要速度就要有惊人的能源，才能将宇宙飞船逐渐加速到足够的巡航速度。美、英科研机构在这方面有大量研究成果和方案，比如“猎户座工程”、戴森火箭（美国）、“戴达洛斯工程”（英国），设想利用核爆炸、核聚变等方式推进火箭。还有设想用反物质来推进火箭的方案。而所有这些方案，目前具体计算的结果，都是无法实施的。此外还有太阳能宇宙飞船、光帆飞船等方案，理论上即使可行，以现有的技术手段也难以实施。

   还有些科学家持另一种思路：如果外星文明已经可以到达地球，那他们的科学技术必然比我们发达很多，那他们为什么还总是躲着我们呢？为什么不堂而皇之地和我们交往呢？所以，所谓的UFO肯定不是外星文明使者。

   这种想法有一定道理，但这种“道理”仍然只是地球人的道理。如果存在高度智慧的外星生物，他们完全可能有别的想法，也许他们认为和一个陌生文明（哪怕文明程度还很低）轻率交往是危险的；也许他们认为地球文明还太低级，根本不值得与之交往——打个比方说吧，我们人类中会有几个人想过要和一群蚂蚁交往或交流思想？这就引导到第二个问题：高度发达的文明，是否会有愿望与低级文明交往？这需要先对文明的发达程度作一些推测。

   苏联天体物理学家N.S.卡达谢夫曾建议，可以根据宇宙中不同文明用于通讯的能量，来对它们分级。他将想象中的文明分为I、II、III三种类型：

   I型文明能够调集与地球整个输出功率（当时他的估计，地球的功率输出约为1015～16瓦）相当的能量用于通讯。II型文明能够把相当于一颗典型恒星的输出功率（1026瓦）用于通讯。III型文明用于通讯的功率达1036瓦，约等于整个星系的功率输出。

   据此，目前的地球文明只能大致定为0.7型——连I型都未达到。

   弗里曼·戴森早在1960年就提出一种理论，即所谓“戴森球”。他认为，地球这样的行星，本身蕴藏的能源是非常有限的，远远不足以支撑其上的文明发展到高级阶段；而一个恒星－行星系统中，绝大部分能源——来自恒星的辐射——都被浪费掉了，目前我们太阳系各行星只接收了太阳辐射能量的大约1/109。戴森认为，一个高度发达的文明，必然有能力将太阳用一个巨大的球状结构包围起来，使得太阳的大部分辐射能量被截获，只有这样才可以长期支持这个文明，使其发展到足够的高度。

   戴森所设想的这种可以包围恒星的球状结构，被称为“戴森球”。对于太阳系而言，用地球上的物质来建造这样巨大的戴森球是远远不够的，戴森的想像力也是天马行空的——他设想我们可以“拆掉”一个行星来造戴森球！这个不幸的行星，戴森选定为木星。不过，失去木星的太阳系是否还能维持目前的稳定状态，将成为新的问题。

   如果文明的高度，真的可以用卡达谢夫的三种类型，或以是否已经建成戴森球来标志，那么，一个III型文明会不会有兴趣来和0.7型的地球文明交往呢？而外星飞船上的宇航员用望远镜（如果他们也用的话）观测一下我们的太阳，看到它依然明亮，就知道它的行星上的生物还未建成戴森球，也就知道这些生物还处在何等的“初级阶段”，似乎也就没有必要和我们交往了——就像我们不想和蚂蚁交往一样。

   相对论与时空旅行

   关于外星文明的话题，总是直接和时空旅行联系在一起的。因为用人类目前所能拥有的航行速度，进行星际航行是不可能的，所以那些想象中的外星来客，通常总是被认为已经拥有时空旅行的能力。

   早在1895年，H.G.Wells就出版了科幻小说《时间机器》，想象利用“时间机器”在未来世界（公元802701年）旅行的经历。这种旅行后来通常被称为“时间旅行”，既可以前往未来，也可以回到过去。如果说，在相对论出现（1905年）之前，所谓“时间旅行”只能存在于人们的幻想之中，那么相对论开始让这种幻想变得有点“科学”味道了——相对论使得“时间机器”从纯粹的幻想开始变得稍有一点理论上的可能性。

   相对论表明，一个人如果高速运动着，时间对他来说就会变慢；如果他的运动速度趋近于光速，时间对他来说就会趋近于停滞——以光速运行就可以永生。那么再进一步，如果运动的速度超过光速（尽管相对论假定这是不可能的），会发生什么情况？推理表明，时间就会倒转，人就能够回到过去——这就有点像Wells的时间机器了。当然这只是从理论上来说是如此，因为事实上，人类至今所能做到的最快的旅行，其速度也是远远小于光速的。

   但是物理学家这种纯理论的、目前还没有任何实践可能的推理，对于科幻电影来说，已经足以构成重要的思想资源。

   利用这一思想资源的影片，可以分成两类：第一类是比较初级简单的，即利用“时间机器”一会儿跑到未来，一会儿回到过去——根据小说《时间机器》拍摄的同名影片就是如此。第二类比较高级复杂一些，就要在因果性问题上做文章。本来在我们的常识中，因果律是天经地义的：任何事情有因才会有果，原因只能发生在前，结果必然产生于后。但是一旦人可以回到过去，因果律就要受到严峻挑战——人如果能够回到过去，则他已知未来之果，假如他对这个结果不满意，他能不能去改变当日之因？换句话说，他可不可以重写历史？这第二类影片，较新的有近年的《未来战士》系列、《12猴子》等，较早的有20世纪80年代斯皮尔伯格的《回到未来》系列。

   这里所谓的“正常”，当然只是“原来那样”之意。但是，如果某些事件可以导致不同的历史，那么到底哪一种历史才是“原来”的呢？或者说，到底哪一种历史才是“真实”的呢？从影片故事内部的逻辑来看，这些不同的历史相互之间似乎是平权的——没有哪一种历史比别的历史更真实，或更正常，更有理由。所以在《回到未来》第三部的结尾，博士郑重告诉马蒂：“未来是不确定的”。

   在以时间旅行为思想资源的科幻影片中，《未来战士》系列突出了对因果律的困惑和挑战，而《回到未来》则在“让历史重新来过”上做文章。影片《超人》中也有类似的“干预历史”的情节（让时间回到女友惨死之前）。其实影片《疾走罗拉》中的三种结局，也是让历史重演三次，直到令人满意为止，这和《超人》中的上述情节是类似的，只是没有采用时间旅行和科幻的形式而已。

   时间旅行的故事，确实可以引发一些深层的哲学思考。比如，我们生活在今天这个世界中，这个世界有着我们已知的历史，但是，我们能不能排除还存在另一些历史——或者说另一些世界——的可能性呢？这些都是今天还无法得到答案的问题，但是在深夜看完科幻影片之后想想它们，还是挺让人惆怅的呢。

   沟通外星文明的途径：虫洞、多世界

   “虫洞”作为一个天体物理学中的术语，原是出于比喻。在英语中，蚯蚓、蛔虫之类的蠕虫，被称为“worm”，而虫子蛀出来的弯弯曲曲的洞——有点像中国古代线装书上被虫蛀出来的洞——则被称为“wormhole”。所以“wormhole”有时也被译为“蛀洞”或“蠕洞”，但是比较通行的译法是“虫洞”。

   在天体物理学中，“虫洞”的意思，按照史蒂芬·霍金在《时间简史》中的通俗解释是这样的：“虫洞就是一个时空细管，它能把几乎平坦的相隔遥远的区域连接起来。……因此，虫洞正和其他可能的超光速旅行方式一样，允许人们往过去旅行。”说得更直白一点，就是从理论上说，虫洞可以让人从一个世界（时空）到达另一个世界。

   这种想法，当然是科幻电影最欢迎的思想资源之一。电影《回到未来》、《2009迷失记忆》、《时间线》等等的故事结构，就是在此基础上建立起来的。

   通过虫洞前往过去或未来世界，毕竟是一个相当抽象的概念。《时间简史》之类的书中所画的虫洞图像，通常是两片平行宇宙，代表两个不同的时空，也即两个不同的世界，中间有圆锥状的通道，那个通道就是虫洞，也就是所谓的“爱因斯坦－罗森桥”。

   令人惊奇的是，史蒂芬·霍金等人想象的这种图景，竟然和中国古代的宇宙图景异曲同工！古代中国的宇宙学说中，有一派称为“盖天”，认为天地就是平行平板，天地之间，北极之下，是一个圆锥形的柱子，这种图景，和中国古代传说中的神木、天柱、登葆山等等，以及古代印度宇宙图景中的须弥山之类，都有相似之处，而后面这些东西，都被认为是天地之间的通道。所有这些，都和“爱因斯坦－罗森桥”有着某种形式上的相同之处。

   从抽象的意义上说，在古人心目中，天地是两个不同的世界，天上是众神所居，地上是凡人所住，天、地之不同，几乎类似于两个不同的宇宙或时空。至于“天上一日，地上千年”之类的传说，更与不同的时空概念大有巧合。如果将古代的这些传说，视为某个已经消失（或者离去？）的高级文明留下来的吉光片羽，当然是缺乏根据的。但是，这些传说中天地之间的通道，它们的形状确实和史蒂芬·霍金等人想象的虫洞十分相似。

   关于时间之门、时空隧道之类的观念，并不是科幻电影编导们的凭空想象，这类观念在西方有相当长久的传统。生活在不同时代的人之间的神秘相见、“鬼车”之类的故事，长期以来一直既出现在“态度严肃”的报告中（但很容易被指责为伪科学），也经常出现在科幻小说和电影中。倪匡受到西方作品影响颇大的科幻小说如《卫斯理》系列等，其中也经常出现这类题材。许多人相信，越过时间之门，与过去或未来的世界进行沟通是可能的。

   而在现今的科学理论框架中，科学家则从另一个角度发挥他们的想像力。爱因斯坦1917年发表的那个著名的引力场方程，是这类想像力的基本温床。通过求解这个方程，许多令人惊异的景象开始展现出来。今天在科幻作品中常见的“黑洞”、“镜像宇宙”等观念，都是求解爱因斯坦引力场方程带来的结果，而“爱因斯坦－罗森桥”则是通往镜像宇宙的通道。最初这个通道被认为是不可能通过的，然而1936年克尔得出一个解，表明有可能存在着可以通过的爱因斯坦－罗森桥，这时它就变成一个“虫洞”——通往另一宇宙的通道。如今不少科学家相信，“虫洞”可以进行时间旅行，还能够通往不同的空间。

   这样的“虫洞”观念，几乎就是电影《2009迷失记忆》中的时间之门，也就是电影《星门》中的那道神奇的星门。一过此门，就是另一个世界。与这种景象相对应的是所谓的“多世界”理论，认为在回到过去的时间旅行中，会产生新的平行的世界。这种具有无限可能性的“多世界”景象，对人类来说是一种希望——因为这样的话选择一个怎样的未来世界就可以取决于人类自己。而且，人类即使在一个世界中因为自己的过错而已经灭亡，却仍有可能在另一个世界中继续生存着。

   这个美妙的结局，再次涉及史蒂芬·霍金《时间简史》中的问题：人回到过去能不能干预历史，改变历史？一种结论是只能旁观，不能干预，不能改变，这被霍金称为“协调历史方法”；另一种就是所谓的“多世界”（“多重宇宙”）理论，人回到过去可以干预历史，改变历史，实际上是产生一个新的世界和历史，这被霍金称为“选择历史假想”。霍金本人似乎倾向于前一种结论，但是毫无疑问，科幻电影的编剧、导演们，科幻小说的作者们，都是喜欢后一种结论的，因为这种结论编得出好玩的故事。

   SETI：天文学界和民间的探索计划

   所谓SETI（Search for Extraterrestrial Intelligence），即“地外文明探索”，已经成为西方一个习用的词汇。

   1960年，在美国西维吉尼亚的绿堤的国家射电天文台，德雷克就实施了使用26米直径的射电望远镜探索外星文明的计划——他命名为“Ozma计划”。当时德雷克认为果真检测到了这样的信号，但后来发现这只是当时军方进行的秘密军事试验发出来的；其余的信号都是混乱的杂音。这项计划通常被认为是最早的SETI行动，虽然德雷克没有检测到任何地外源信号，但他的方案引起了其他天文学家的兴趣。

   70年代末，NASA总部曾正式采纳了两种SETI计划给予资金资助。一种是检测1000余个类日星体，接收微弱、零星的信号；另一种是在全天勘测中扫描所有方位。但几年之后美国国会终止了资助。

   稍后有凤凰计划，它是迄今为止SETI行动中最灵敏、最全面的计划。它有选择的细查200光年以内约1000邻近的类日恒星——我们自然的假想这些恒星周围有可供生命生存的行星。凤凰计划现在的观测，是使用直径305米的阿雷西博射电望远镜，这可能是当今世界上最大的射电望远镜，具有极强的探测能力。到1999年中期，凤凰计划已观测了它名单上一半的星体，但仍未检测到地外文明信息。

   科学家想出了一种经济可行的办法——拥有个人电脑的普通人利用自己电脑的闲置时间，帮助处理数据。参加者每次可从专用网址setiathome.ssl.berkeley.edu上下载256K字节的数据（即阿雷西博望远镜最新的100秒观测结果）。利用计算机进入屏幕保护状态时的空闲时间对其进行处理，完成后用户可将处理完的数据发回研究人员处，再下载新的数据。研究人员称，“这好比是在一堆干草里找一根针，干草仍是那堆干草，但有许多普通人帮助，找起来可以仔细得多，所以，总有一天能找到的吧——如果那根针存在的话。”

   另一类天文学色彩更浓厚的探索计划，也可以归入SETI行动的范畴，即寻找类地行星。因为我们毕竟迄今只知道一种生命模式，因此假定只有在固体的类地行星上，才有足够稳定的适宜环境衍生命，再进而发展成技术文明，仍是合理的思路。2003年12月，英国爱丁堡天文台的天文学家撰文宣布，在织女星旁找到了“第二地球”，但其上是否有生命存在仍然相当可疑。

   现在世界上最先进的望远镜都已投入了本课题观测。其中包括位于智利Cerro Paranal的甚大望远镜VLT、哈勃空间望远镜、10米的Keck1号等。甚至拟议中有建造口径达100米和50米的望远镜来从事这项探索。

   著名的国际空间计划举例如下：1、COROT计划。法奥合作，2004年发射，对5000颗恒星做巡天搜寻，寻找类木行星估计可找到100颗。2、开普勒计划。美国国家航空航天局（NASA）的艾姆斯中心提出，致力于凌星观测。这架口径1米的空间望远镜监测10万颗主序星。近日NASA决定于2007年启动该计划。3、爱丁顿计划。系欧洲空间局ESA的计划。2007年发射1.2米广视场空间望远镜，可探测的恒星在1000秒差距以内，有希望发现几千个类木行星和几十个类地行星。4、达尔文计划。系ESA的计划。2012年升空，由6架1.5米的望远镜组成，空间红外干涉高分辨率成像，利用消零干涉方法探测类地行星。

   对待外星文明探索活动的不同态度

   关于UFO和地外高等文明是否存在的问题，在我们这里一直是比较敏感的。一方面，民间自发的UFO探索活动持续不断，而且热情很高；另一方面，却是中国天文学界对这个问题普遍的恐惧——极少有天文学家愿意和这项活动或这个话题沾边。如果不得不就这个问题发表意见，天文学家通常总是强调，迄今为止所有的UFO现象都是错觉或伪造，并进而否认地外高等文明存在的可能性。

   从理性的立场来看，这种恐惧显然是毫无必要的。与此形成鲜明对比的，是西方天文学界对这一问题的坦然态度。虽然并没有很多天文学家投入对地外文明的探索，但毕竟还是有这样的天文学家，而且，投入这些活动的天文学家根本不存在恐惧。我们这里的恐惧，也许和讨论外星高等文明曾被归入“伪科学”有关。

   还有某些自以为懂科学的人，经常有着另一种傲慢与偏见，即认为只有自己才有资格谈论科学。这和某些自以为懂历史的人，认为只有自己才有资格谈论历史是一样的。而无数的科幻电影和历史电视剧，已经给这些有着傲慢与偏见的人上了无数次课了。科幻电影当然不是科学，历史电视剧也不是历史学，但是一方面，它们开发了科学或历史的娱乐功能，使科学或历史也能为公众的娱乐生活作出贡献；另一方面，它们也有自己的思想价值。科幻电影中想象的许多人类社会的前景，无疑对人类有着警示作用。比如《未来水世界》之蛮荒，比如《撕裂的末日》之黑暗，比如《罗根的逃亡》之荒诞，比如《黑客帝国》系列之虚幻，比如《未来战士》之核灾难，比如《12猴子》之大瘟疫等等。

   科学或历史学都是由纳税人供养着的，都是天下之公器，不是科学家或历史学家的禁脔。不是科学家或历史学家的人，也可以思考和谈论科学或历史——当然如果谈得不对，科学家或历史学家可以纠正。科幻电影的编剧导演，虽然不是科学家，通常也不被列入“懂科学的人”之列，但是他们那些天马行空的艺术想像力，正在对公众发生着重大影响，因而也就很有可能对科学发生影响——也许在未来的某一天，也许现在已经发生了。    

   讲演者小传    江晓原
   1955年生于上海。上海交通大学教授、博导，科学史系主任，人文学院院长。中国科学技术史学会副理事长。学天体物理出身，后投身于科学史研究，1988年在中国科学院获科学史博士，1994年中国科学院破格晋升为教授。1999年调入上海交通大学，创建了中国第一个科学史系。已出版《天学真原》、《天学外史》、《历史上的星占学》、《回天——武王伐纣与天文历史年代学》、《剑桥插图天文学史》、《中华科学文明史》、《江晓原自选集》、《天文西学东渐集》、《东边日出西边雨》等专著、译著、文集共20余种，还撰写了大量随笔、书评和杂文。