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在1980年12月14日播出的纪录片《宇宙》第12集中，该节目的联合创作人兼主持人Carl Sagan向电视观众介绍了天文学家Frank Drake提出的德雷克方程(Drake equation)。利用这个方程，他计算出了银河系中可能有多少先进文明可以利用外太空的现代无线电通信技术与我们取得联系。Sagan的估计从“可怜的极少数”到数百万不等。Sagan以他独特的方式吟诵道：“如果一个文明在发明射电天文学后不总是很快地自我毁灭，那么天空就可能会轻轻嗡响，把来自星星的信息发送给我们。”
Sagan对一个文明能否在自己的技术“青春期”中生存持悲观态度。“青春期”指的是文明发展的过渡期，比如核能、生物工程或无数其他强大能力，这期间很容易自我毁灭。从本质上讲，他对泛星系生命和智慧的存在持乐观态度。但他信仰的科学基础却是不可靠的。Sagan和其他人怀疑，生命出现于温和的环境中是宇宙的必然事件，因为地质证据表明，生命在地球上出现的速度快得令人震惊——约40亿年前，那时我们的地球刚从炽热中充分冷却下来。如果像我们的世界一样，其他星球上的生命迅速出现，并随着时间的推移变得越来越复杂，智能和技术也可能在整个宇宙中普遍存在。
然而，近年来，一些持怀疑态度的天文学家试图用贝叶斯统计这种复杂的方式分析，在这些声明背后加入更多的经验分量。他们专注于两个巨大的未知因素：在类地行星上，生命从非生物环境中诞生的可能性——这一过程被称为“非生物起源”，以及由此产生智慧生命的可能性。即使有了这样的估计，天文学家也不同意这些结果对宇宙其他地方的生命有任何意义，因为即使是最好的贝叶斯分析法，也只是基于地球得出的结论，还缺乏关于地外生命和智慧的确凿证据。
1961年，天文学家Drake提出了德雷克方程（Drake equation），计算出银河系中能够通过无线电波发送或接收星际信息的文明的数量。它依赖于许多因素的相乘，每一个因素都量化了我们对银河系、行星、生命和智慧的某些方面的知识。
这些因素包括ƒp（太阳系外行星的恒星的比例）；ne（系外可居住行星的数目）；ƒl（可居住行星的生命出现的比例）等等。
普林斯顿大学的天体物理学家Ed Turner说:“在Drake写下（这个方程）的时候，甚至在25年前，这些因素中几乎任何一个都可能是导致生命非常稀少的因素”。现在我们知道，环绕恒星的世界普遍存在，那些在最基本的大小、质量和日照方面与地球相似的行星也很常见。简而言之，银河系似乎不缺少可以孕育生命的地方。然而，“在整个因素链中，有一个最大的不确定性，就是生命诞生的可能性——即在合适的条件下，从化学到生命的飞跃。”Turner说。
忽视这种不确定性会导致天文学家做出相当大胆的断言。例如，上个月，英国诺丁汉大学的Tom Westby和Christopher Conselice计算出银河系中至少有36个智慧文明能够与我们交流，这一结果登上了新闻头条。这一估计是基于这样一种假设，即智慧生命在类地行星形成45亿至55亿年后才出现。
哥伦比亚大学的天文学家David Kipping说：“这只是一个非常具体而有力的假设。我没有看到任何证据表明这是有百分百把握的事情。”
回答关于“非生物起源”和智慧出现的可能性的问题是非常困难的，因为科学家只有一个已知条件：地球上孕育出了生命。“我们连一个完整的数据点都没有，”Kipping说，“我们甚至不知道地球上的生命何时出现，即便知道也没有定论。”
另一个基于我们观察到的假设的问题是所谓的“选择偏差”。想象一下，你买彩票，在第100次时中了头奖，你可能会认为中彩票的概率是1%。这个错误结论就是一种选择偏差，如果你只考虑到中奖者而没有考虑失败的人（即数千万购买彩票但从未中奖的人），就会出现这种偏差。当谈到计算“非生物起源”的概率时，Kipping说：“我们无法了解失败的情况。所以这就是为什么我们在这个问题上处于非常具有挑战性的位置。”
再说说贝叶斯分析。该技术使用了贝叶斯定理，该定理以18世纪英国统计学家和长老会大臣Thomas Bayes的名字命名。为了计算某些事件发生的几率（比如“非生物起源”），天文学家首先要得出一个可能的概率分布——相当于一种最准确的猜测。例如，我们可以假设“非生物起源”的时间可能在地球形成后的1亿到2亿年之间，也可能在地球形成后的2亿到3亿年之间，或者在地球历史的任何一个1亿年之间。这些假设被称为贝叶斯先验，并且它们是明确的。然后统计学家收集数据或证据。最后，他们结合先验和证据来计算所谓的后验概率。在“非生物起源”的情况下，根据我们之前的假设和证据，这种可能性就是在类地行星上出现生命的可能性。后验不是一个单一的数字，而是一个量化任何不确定性的概率分布。例如，它可能显示，“非生物起源”的可能性随着时间的推移而增加或减少，而不是先验所暗示的均匀概率分布。
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2012年，Turner和他的同事、当时在新泽西州普林斯顿高等研究院（Institute for Advanced Study in Princeton, N.J.）工作的David Spiegel，首次严格地将贝叶斯分析应用于“非生物起源”研究。按照他们的方法，在类日恒星周围的类地行星上的生命要到世界形成后的某个最短年限(tmin)才会出现。如果生命在某个最大时间（tmax）之前没有出现，随着它的恒星老化（并最终死亡），该行星上的条件将变得非常恶劣，不可能有自然生物发生。Turner和Spiegel的目的是计算tmin和tmax之间“非生物起源”的概率。
研究人员研究了几种不同的概率分布。他们还假设，在“非生物起源”之后，智慧需要一段固定的时间才会出现。
有了这样的假设——地球上生命起源的地球物理学和古生物学证据，以及进化理论对智能生命出现的解释，Turner和Spiegel就能够计算出非生物起源的不同后概率分布。虽然生命早期出现在地球上的证据可能表明非“非生物起源”是相当容易的，但后人并没有对这种可能性设定任何下限。“计算没有排除非常低的概率，这是一种统计上的常识。”Turner说。尽管生命在地球上迅速出现，但“非生物起源”可能仍然是一个极其罕见的过程。
“Turner和Spiegel的努力尝试是对这个问题的第一次真正严肃的贝叶斯进击，”Kipping说，“我认为吸引人的是，他们打破了这种默认的、关于早期生命出现的天真解释。”
尽管如此，Kipping认为研究人员的工作并非没有缺点，他现在试图用他自己的更详尽的贝叶斯分析来纠正它。例如，Kipping质疑了智力在“非生物起源”后的某个固定时间出现的假设。他说，这可能是选择偏见的另一个例子，选择偏见是一种受我们自身智力产生的进化路径影响的概念。“本着编码你所有的无知的精神，为什么不承认你也不知道那个数字呢?””Kipping说，“如果你试图推断生命出现需要多长时间，那么为什么不同时研究智力呢?”
这一建议正是Kipping所尝试的，他对“非生物起源”和智慧出现的概率进行了估计。他选择了“Jeffreys先验”，这是由另一位英国统计学家和天文学家Harold Jeffreys设计的。据说它是最大程度的无信息。因为Jeffreys先验没有考虑大量的假设，它更看重的是证据。Turner和Spiegel也曾试图找到一个无信息的先验。
Turner说：“如果你想知道数据告诉了你什么，而不是你之前的想法，那么你需要一个无信息的先验。”在他们2012年的分析中，研究人员使用了三个先验，其中一个是信息最不充分的，但那时他们没有使用Jeffreys 先验，尽管他们意识到了这一点。
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在Kipping的计算中，先验的注意力集中在他称之为参数空间的“四象限”上：生命普遍，智慧普遍；生命普遍，智慧罕见；生命罕见，智慧普遍；生命罕见，智慧罕见。在贝叶斯分析开始之前，所有四个象限的可能性都是一样的。
Turner同意使用Jeffreys先验是一个重大的进步。“这真的是我们拥有的最好的方式，纯粹去询问数据试图告诉你什么。”他说。
Kipping将Jeffreys先验与地球上生命出现和智慧出现的稀有证据相结合，得到了后验概率分布，这使他能够计算出四个象限的新概率。例如，他发现，“生命普遍，智慧罕见”的情况比“生命罕见，智慧罕见”的情况多9倍。即使智慧并不罕见，“生命普遍”这种情况的最小优势比也只有9∶1。Kipping说，“这种几率不是人们会赌上房子的那种。你很可能输掉赌注。”
不过，他说，这种计算“是一个积极的迹象，表明那里应该存在生命。这至少说明，生命起源并不是一个艰难的过程”。
并非所有的贝叶斯统计学家都同意这一观点。Turner对这一结果做出了不同的解释。尽管Kippimg的分析表明，生命在地球历史的早期出现这一事实更支持“非生物起源”是普遍的这一假设，具体的优势比为9∶1。但是Turner说，这个计算结果并不意味着这个模型的真实性9倍于[“非生物起源”现象是罕见的]模型。他还说，Kipping的解释“有点过于乐观了”。
Turner对Kipping的研究表示赞赏，他认为，即使是最复杂的贝叶斯分析也会为宇宙中稀有的生命和智慧留下空间。“我们对地球上生命的了解并不能排除这些可能性。”他说。
不只是贝叶斯统计学家对Kipping的解释有异议。任何对生命起源问题感兴趣的人都会对他的解释持怀疑态度，因为任何分析都要基于地球上生命的地质、地球物理、古生物学、考古学和生物学证据，而这些证据中没有一个能明确非生物发生和智力出现的时间线。
哥伦比亚大学的天文学家和天体生物学家Caleb Scharf说：“我们仍然在努力定义生命系统。从科学的定义来看，这是一头难以捉摸的野兽。这对于关于‘非生物起源’的时间，甚至是关于智力进化的陈述来说都是有问题的。”
如果我们有严格的定义，问题仍然存在。“我们不知道生命是否开始、停止、重新开始。我们也不知道生命是否只能以一种方式构建。”Scharf说。地球何时适宜生命生存？当它出现时，这种“生命”氨基酸的第一批分子是RNA还是脂膜?在生命第一次出现之后，它是否曾经被地球历史早期的一些灾难性事件所消灭，然后又以一种可能不同的方式重新开始?“不确定性非常多。”Scharf说。
所有这些粗略的证据使贝叶斯分析变得困难，但作为一项技术，它仍然是处理更多证据的最适合的方法——比如，发现过去火星上存在生命迹象，或者目前在木卫二上存在生命迹象。
“一旦我们有了另一个数据点，[贝叶斯模型]就是最好地利用这些额外数据的方法。突然之间，不确定性急剧减少。”Scharf说，“我们没有必要去调查银河系中的每一颗恒星，以弄清楚某个地方是否可能存在生命。再多一两个数据点，我们就能从本质上了解宇宙产生生命或智慧的倾向。这下得到的结果会相当有力。”
作者：Anil Ananthaswamy
翻译：张玉
审校：施怿
引进来源：科学美国人
本文来自：中国数字科技馆
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