一只又死又活的薛定谔的猫

第二十一章 哥白尼原则之争

　　哥白尼原则是由数学家兼天文学家邦迪（Hermann Bondi，1919-2005）在20世纪中期提出来的一种哲学陈述：在宇宙间，地球并不处于中心的优越地位，人类也不具有一个特殊观测者的身份。这个概念后来被进一步扩展为在宇宙间没有一个观测者占有特别的位置。哥白尼原则这个名词虽然在60多年前才开始使用，但其思想早在哥白尼于1543年发表日心说（地球围绕太阳运行，而不是太阳围绕地球运行）的时候就已经诞生了，而且自那时起就一直是天文学和宇宙学的一条重要指导原则。哥白尼的日心说把地球的地位从宇宙的中心降为太阳系中的一颗普通行星，伽利略的望远镜又进一步发现太阳也不过是银河系里数不胜数的恒星中的普通一员。

　　不过，对哥白尼原则的质疑和挑战也从来没有停止过。且不说来自宗教方面的强力抵制，单在科学方面它也遭遇过一次又一次的冲击。在20世纪初，著名荷兰天文学家卡普坦（Jacobus Kapteyn，1851-1922）根据当时所掌握的天文观测结果，推论出太阳系位于银河系的中心，而银河系则是孤悬于宇宙中的一个“宇宙岛”。这就赋予了太阳系一个特殊地位，以致很多人都以为哥白尼原则从此被打破了。然而，仅仅十几年之后，大量新的观测结果就显示出太阳系不但不在银河系的中心，而且像银河系这样的星系在宇宙中比比皆是。

　　另一次对哥白尼原则的严峻挑战也发生在1900年左右。当时流行的一种关于行星形成的理论认为，只有在另一颗恒星曾经非常接近太阳的情况下，围绕太阳运行的行星才有可能生成。尽管宇宙中类似于太阳的恒星多如牛毛，但由于两颗恒星非常接近的概率极低，因此伴有行星的恒星可能只太阳系一家，也就是说太阳系具有其独特的地位。要想推翻这一理论，就必须找到太阳系外的行星。这可比否定前面提到的卡普坦理论难得多了。虽然科学界多年来一直普遍相信应该存在有太阳系外行星，但相信与证实之间是有一条巨大鸿沟的。这主要是因为天文望远镜的分辨率有它的极限。分辨率就像尺子上的刻度，我们无法拿尺子去量一个比其刻度小很多的东西。如果用d表示某个行星与它所围绕运行的恒星之间的距离，用R表示该恒星到地球的距离，要想在天文望远镜里将这个行星与对应的恒星区分开来，望远镜必须大体上能分辨到d/R（以弧度角为单位）的精度。以地球到太阳的距离作为d的估计值，即使是离地球最近的恒星（太阳除外）其d/R的数值也只有大约0.000004.再加上恒星很亮而行星要暗得多，这就使直接“看”到太阳系以外的行星极为困难。证实在太阳系之外存在行星，是最近十几年的事（首例是在1992年）。它们中的绝大部分是靠观测恒星的运动或亮度变化而推断出来的。真正能“看”到的太阳系外行星只有屈指可数的几颗。

　　到目前为止，已经观测到了550多颗太阳系外行星。毋庸置疑，今后被观测到的太阳系外行星的数量还会以更快的速度增加（据估计，光是我们所在的银河系里就有大约500亿颗行星）。人们现在最感兴趣的已经不是找到多少行星，而是寻找具备生物生存条件的行星。最近，法国科学家利用极复杂的计算机模拟方法，论证了距地球20光年的Gliese 581d（围绕恒星Gliese 581运行的一颗行星）具有潜在的可居住性。它的轨道离Gliese 581不远不近，拥有大气层，表面温度可允许液态水存在。这些都是能够产生和维持生命的有利条件。当然，这仅仅是推断。以现有的技术，要想直接知道太阳系外行星上的确切状况，是完全不可能的。主要原因之一是行星围绕运行的恒星所发的光太亮。所以有些科学家建议用火箭及一种尚属保密的技术，将一块足球场大小的“遮阳板”放到太空里去。利用这块“遮阳板”挡住来自恒星的光，就有可能直接观察到行星表面上的情况（比如是否有山川、河流）以及分析大气层的成分和构成该行星的物质。不过这项计划是否真能付诸实施尚在未定之天，主要是经费问题，少说也得十几亿美元。

　　虽然已经证实了太阳系外行星的大量存在，但围绕哥白尼原则的争论并没有因此而止息。随着越来越多太阳系外行星的被发现，争论的主战场已经从寻找行星转移到了是否存在地球外生命等方面。应运而生的天体生物学就是对地球外生命进行综合研究的一个新学科。

　　以现有的技术水平，不要说去太阳系之外的行星，就是想登上太阳系的其它行星去寻找生物也不是件容易的事。不过有一点是不难想象的，就是这些行星上的自然环境可能会比地球表面要恶劣很多倍。根据美国国家航空航天局火星探测器发回的资料，基本上可以肯定生物不能在火星表面生存。但这并不意味着在火星表面之下的岩层深处生物也不可能生存。尤其是有迹象显示火星上曾经有过水及现在在表面之下还存有大量的冰，这就更增加了在岩层里发现火星生物的可能性。尽管现在还无法到火星上去挖掘，但先看看地层深处的岩石中是否有生物生存却是可能的也是很有意义的。2007年被《时代周刊》列为世界上最具影响力的100人之一的普林斯顿大学教授斯托特（Tullis Onstott）是这方面的先驱。但在90年代中期，当他首次提出到南非金矿中距地面之下数公里深处去寻找可能存在的生物时，整个科学界都认为这是异想天开。他甚至连资助这项研究的基金都申请不到，因而不得不自掏腰包，拿出6000美元，来开始他的导致划时代发现的“地下之旅”。幸运的是，他很快就发现了能在地下5公里深处生存的微生物。这些微生物生活在我们通常认为生物根本无法生存的环境之中，它们不但能“动”，而且还能分裂。虽然这种分裂可能一个世纪才发生一次，但毕竟说明它们可以复制自己，这是生物体的关键特征之一。几年之后，斯托特和他的同事们又在地下深处的岩层里找到了一种奇特的细菌，它们在暗无天日的环境中可能已经生存了300万至4000万年，仅靠利用周围岩石放射性衰变释放的辐射能量、极少量的矿物质和从岩缝中渗漏下来的一点点水分来滋养。它们不仅有DNA、能够“传宗接代”，而且明显还活着！斯托特的研究团队给这种了不起的细菌起了一个具有特别含义的名字：Desulforudis audaxviator（拉丁文，意思是嗜热且大胆的旅行者。出自凡尔纳的著名科幻小说《地心游记》中李登布罗克教授得到的一张羊皮纸上所写的一句话，这张羊皮纸是引导他进行地心探险的指南）。

　　像斯托特那样到地球上那些环境极差的角落去搜寻生物，一直是天体生物学的一项重要课题。除了岩层里，人们在南极的冰层之中和碱性极高的荒漠土壤里都发现有微生物可以生存。这些发现从侧面支持了地球外可能存在生物的看法。不过，不论是在地下深处的岩层里还是南极的冰层中找到的生物，它们毕竟是地球上的生物。最有希望发现真正地球外生命的地方，还是大家都熟悉的火星。在孩童的时候，很多人大概都听过或看过有关火星人的科学幻想故事。遗憾的是，现在已经百分之百地证实了火星上没有火星人。不过，火星上还是可能存在或存在过生命的。几十年来，关于火星上是否有生物的论争已经反复了好几次。第一次高潮是1976年7月及9月美国的海盗1号和2号探测器在火星着陆，由天体生物学的先驱者莱文（G。V。Levin）设计的一项实验“证实”，探测器挖到的火星土壤样本中有某种生物体。这在当时是爆炸性的新闻。可没过多久，这一结论就被一些别的科学家推翻了，因为莱文的实验结果也可以用样本中存在有某些其它非生物体的物质来解释。第二次高潮则是在1996年，美国国家航空航天局的麦凯（David McKay）等人在最权威的科学期刊《科学》上发表了一篇关于在编号为ALH84001的火星陨石里发现生命迹象的文章。其实麦凯在该文中还是比较留有余地的，他只说发现了可能是来自微生物的残留物，而并没有说发现了微生物的化石。不过在媒体的炒作下，这一研究结果很快被外界解读为“火星上有生命的证明”，其震撼效应可想而知。连美国总统克林顿都在演讲中专门提及此事，“如果这一发现被确认，它将肯定是有关我们宇宙的最惊人的科学发现之一”。与莱文的命运颇为相似，麦凯的发现不久就受到了科学界的质疑，至少有8篇论文指出这些残留物可以产生自其它非生物的过程。不过麦凯和他的支持者们并没有投降，这方面的争论起起伏伏一直持续到今天。

　　两次大起大落之后，相关领域里的科学家们都意识到在这个问题上下结论必须慎之又慎。一项甚至某一方面的孤立证据是远远不够的。近年来最受人关注的新发现是在火星的大气层里观测到大量的甲烷。在地球的大气层里，百分之九十的甲烷都是产生自生物体。因而这一发现很可能意味着火星上有或有过生物体。这方面研究的重量级人物之一是美国国家航空航天局的马马（Michael Mumma）。他所领导的研究组对火星大气层中甲烷含量的分布做了系统的测量，这项工作目前还在进行中，他们希望绘制出尽可能完整的火星甲烷分布图，然后用这张图与已知的火星表面上可能有过水或表层之下可能有冰的区域进行对照（生物体与水密不可分），以期能定位出几个最有可能存在生物的地方。这对将来发射探寻生物的火星探测器具有重要意义，因为探测器的活动范围有限，能否降落在“正确”的地区是极为关键的。

　　马马和他的同事们所进行工作非常繁琐和细致，需要有极大的耐心。这不是大多数急功近利的人愿意干的。马马这个人也确实与众不同，他能成为一名科学家这件事本身就有点不可思议。马马的家庭属于福音联合弟兄教会的基本教义派，换句话说，就是出身于一个宗教信仰极强的家庭。然而他从小喜欢独立思考，11岁时就用在学校学到的科学知识来质疑牧师关于上帝创造世界的说法。他的家族自1731年移居美国后，一直生活在宾夕法尼亚州乡间的农场里。马马是第一个离开农场出去闯世界的。他不仅选择了科学研究作为自己的职业，而且目前所致力的工作更直接挑战宗教的一个基本观点--地球是唯一有生物的地方。

　　要想最终给火星上是否有生命这个问题画下句号，必须靠登陆到火星上的实地考察。计划于今年年底发射的“火星科学实验室”比以前在火星上着陆的各种探测器都先进很多倍，它上面有一套叫做火星样品分析的仪器，目的就是对火星的大气、水文、土壤、岩石等等进行精确和系统的分析，希望能发现生命存在的蛛丝马迹。不过，美国国家航空航天局这回刻意避免使用“探测生命”之类的字眼，生怕再一次误导民众。另外，欧洲空间局与美国国家航空航天局还联手制定了新一代火星生物探测计划（ExoMars）。其中预定于2016-2018年发射的探测器可能会携带把样品送回地球的装置，如果真能实现，对火星的研究将进入一个新纪元。

　　围绕哥白尼原则的争论并不单单是纯科学的争论，其中还夹杂了很多宗教的和哲学的因素。比如对基督教来说，虽然可以承认地球不在宇宙的中心，但人类必须是唯一的，否则基督降世以拯救人类之说就难以立足了。从某种意义上讲，也可以说这是一场信仰之争，因而也就很难分出最终的胜负。即使科学家们赢得了现阶段的胜利--真的找到了地球外生命，反对派还是可以提出新的挑战（比如说，宣称具有高智力的人类是宇宙间唯一的）。其实，不断有新的挑战出现并不是一件坏事，科学本身就是在不断克服各种挑战的过程中向前发展的。总体上来看，在这场持续了几百年的争论中，赞成派似乎在取得节节胜利，只是每攻占一块阵地都要付出极大的努力和花费很久的时间。