第十章费米悖论
外星人都上哪里去了
意大利裔美国物理学家，也是诺贝尔奖得主的恩里科·费米对于量子力学与原子物理有许多重要贡献。他在1940年代早期建立第一座核子反应炉，亦即芝加哥一号反应堆（Chicago Pile-1）；两种基本粒子的其中一种以他的名字命名，即“费米子”（另一种是玻色子）；甚至有一种长度单位叫做“费米”，也是以他为名，是极其微小的“飞米”的别称，等于1毫米的一兆分之一，是核物理与粒子物理常用的尺度单位。但本章所要讨论的，是费米于1950年提出的一个问题，与他的次原子物理研究没有任何关联。它是最深刻也是最重要的一则悖论，因此我保留到最后一章来探讨。
费米提出的著名问题来自某一次午餐时间与几位同事的对话，当时他正在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室进行夏季访问，那里也是原子弹以及曼哈顿计划的故乡。他们之间的交谈围绕着有关飞碟的轻松话题，以及飞碟是否可能超过光速航行，从遥远的星系来到地球。费米悖论的叙述如下：
宇宙的历史如此漫长，幅员如此辽阔，光是银河系就有数千亿颗恒星之多，其中许多恒星拥有各自的行星系统。因此，除非地球具有蕴育生命的条件而独具一格，否则宇宙中应该处处可见具有高度智慧文明的类似星球，其中的许多文明可能已发展出太空技术，并且已经造访过我们。
那么，他们究竟到哪儿去了呢？
费米认为，如果太阳系并非唯一包含一个以上适合居住行星的星系，对于其他任何稍具扩张野心以及完备太空技术的外星文明而言，显然有充裕的时间完成整个星系的殖民任务。他与同事共同估计，任何族类要达到此一目标约需耗时1000万年。尽管这看起来似乎是一段漫长的时间，而且只是个稍嫌粗略的估计，然而要注意的是，这段过程只占了整个星系年龄的一小部分（在本例中约占1‰）——别忘了智人（Homo sapiens）仅存在20万年左右。这则悖论可以简化为以下两个问题：
●如果生命并不特别，那么其他外星生命究竟在哪里？
●如果生命非常特别，那么为什么宇宙微调得如此恰到好处，让生命只出现在地球上？
如果我们星球上的生命在最恶劣的环境中也能繁衍茁壮，为什么在其他类地行星上不会发生类似的事？也许问题不在于生命出现之后的繁衍，而是生命如何产生。在探讨这则悖论及相关议题是否已被科学家破解之前，我们先大略浏览一下最常被想到的解答。
1. 外星生物的确存在，并且已经造访过我们。由于我们并没有合理证据支持幽浮爱好者和阴谋论者天马行空的幻想，基于这个正当理由，我会排除这个选项。不过许多人仍然相信外星人已经乘着飞碟抵达，不论在数千年前短暂停留，建造金字塔之后再度离去，或者至今仍停留在地球上，绑架无辜受害者进行离奇的实验。
2. 外星生物存在于某处，但尚未与我们接触。我们可以想出许多高等外星文明为何不让我们发现其存在的理由。比方说，也许他们不希望向星系的别处散播存在的讯息（不像我们人类），也许他们并不打算搭理我们，直到我们的科技够进步，具备加入银河系俱乐部的资格为止。这当然是假设所有外星文明的思考逻辑都与我们很相近。
3. 我们探索的方式不对。50年来我们一直在监听来自外层空间的讯号，迄今仍未侦测到任何讯息。但或许我们并没有朝向太空的正确区域探索或调整到正确的频率；不然就是信号与讯息已经送达地球，但我们尚未成功解码。
4. 别处的生命正不断消失。我们可能不明白地球上的生物何其幸运。其他恒星系统里适合孕育生命的行星，可能得定期承受各种毁灭性的行星、恒星或星系事件，诸如冰河时期、陨石或彗星的撞击、巨大的恒星闪焰或伽玛射线爆等。在此类事件频繁发生之处，生命没有足够的时间演化出有智慧、有能力进行太空之旅的物种。不过情况也可能相反，其他星球上的环境过于舒适，他们无需经历大规模灭绝；这类灭绝过程被认为是生物多样性的推手，由演化中诞生出智慧。
5. 自我毁灭。有人认为宇宙中的所有智慧生物将不可避免地自我毁灭，不论是因为战争、疾病或对居住环境的破坏，发生的时间点大约在科技进步到能够进行太空旅行时。如果属实，这对我们而言将是一记警钟。
6. 外星人实在太……怪异了。我们很容易假设外星人与我们相近，拥有我们想象得到的未来科技。有很好的理由支持这种想法，因为各种生命都必须遵循物理定律并受其规范，不过也有可能我们根本无从设想与我们截然不同的智慧生物。当然，我的意思并不是指他们的长相都像电影中的ET 一样，而是我们倾向于假设他们也是碳基（carbon-based）生物，拥有肢体与眼睛，并且透过声波彼此沟通。
7. 我们确实独自存在于宇宙中。也许生命发生所需的必要条件非常稀有，只出现在少数几处地方，而地球是唯一孕育出能够驾御大自然的智慧生命的星球，人类能向宇宙发送自己存在的讯息。也许地球真的是唯一一个有生命的地方。
以上所有可能性都只是猜想，其中多半是没有根据的臆测。费米个人的观点则是，即使智慧生命极有可能存在于银河系的其他地方，但由于星际旅程之远与耗时之久，在光速的限制下，没有任何文明认为值得费时费力来造访我们。
费米没有考虑到的是，即使技术先进的外星人从来没有离开过他们的星球，我们或许依然能够发现他们的存在。毕竟我们已经向外层空间宣告我们的存在长达一世纪之久。从我们使用无线电和电视向世界各地播送讯息开始，这些信号就一直外泄到太空中。或许有某个数十光年外的外星文明，碰巧将他们的电波望远镜指向我们的太阳，进而接收到许多微弱而复杂的微波信号，这些信号正是环绕太阳的其中一个行星上具有生命的迹象。
假设同一套物理定律放诸宇宙各处皆准，而电磁波是宇宙中传递讯息最简单也最通用的方法之一，我们便可预期其他科技发达的文明，在其发展过程中的某阶段也会采用这种通讯方式。一旦如此，他们的信号也会外泄到太空中，以光速在星系内传播。20世纪的天文学家们很快地便开始认真考虑使用新建的无线电波望远镜监听太空信号的可行性。这种对于外星智慧生物的严谨探索，是从某个人开始的。
德雷克及其方程式
第一位真正的ET猎人是天文学家弗兰克·德雷克，他任职于西维吉尼亚州绿堤的国家电波天文台。他在1960年进行了一项实验，透过监听无线电频段的电磁波信号来寻找遥远恒星系统的生命迹象。这个计划称为奥兹玛（Ozma），取材自弗兰克·鲍姆所著的儿童读物中，翡翠国统治者奥兹玛公主的名字。
德雷克将他的无线电波望远镜指向太阳系附近两个类日恒星，鲸鱼座τ（Tau Ceti）和波江座ε（Epsilon Eridani），分别距离地球12光年和10光年，两者看起来都是可能拥有适居行星的合理候选恒星。他调整碟盘天线撷取某特定频率的无线电波信号——由宇宙中最轻、最简单、也最丰富的元素“氢”所产生的特殊电磁辐射，也是任何外星文明揭露自己存在最可能的选择。他记录数据并仔细检查，试图从背景噪音中找出任何夹带的有意义信号。他每天记录数小时，但持续记录数个月的数据经过比对之后却一无所获，除了来自一架高空飞过的飞机所发出的信号之外。但是德雷克并不气馁，他始终认为，这个过程就像买乐透彩券一样，只有在手气好得出奇的情况下才会得到某些发现。再接再厉的德雷克来年筹办了第一次的SETI （Search for extraterrestrialIntelligence，地外文明搜寻计划）会议，邀请了据他所知当时可能对这个议题感到兴趣的所有科学家（共计12人）。为了专注地进行研究，他提出一条数学方程式，用来计算地球上侦测得到无线电波信号的银河系内文明总数（N）。他将其他7个数字相乘，算出这个数目。这个如今以他命名的方程式如下：
N = R* ×fp ×ne ×fl ×fi ×fc×L
这很容易解释。我将逐一介绍每个符号代表的意义，并且在括号内附上德雷克进行初次计算时所假定的数值，如此一来读者便可以得知他如何算出最后的数目。第一个符号R*代表银河系中每年新星形成的平均数目（德雷克假设这个数值是每年10颗）。下一个fp 代表这些恒星拥有行星系统的比例（0.5）；ne是每个太阳系拥有适合生命环境的行星数量（2）；fl、fi、fc 则分别代表这些行星上真的出现生命的比例（1）、孕育生命的行星中出现智慧生命的比例（0.5）、这些文明的科技发展到能向外层空间发送信号的比例（1）。最后，L 则代表这些文明持续向宇宙发送可侦测信号的时间长度（1万年）。将这7个数字相乘之后，德雷克得出N = 50,000的答案。这是一个令人印象深刻的数字，足以凸显费米悖论的重要性。
但这数字的可信度如何呢？答案当然是一点也不可信。即使这7个数值就足以代表我们非知道不可的一切，得出的值也不过是个概略的推测。前三个因子R*、fp、ne 的数值在半世纪前仍不明朗，如今因为天文学与望远镜技术的进展，已变得较为确定，尤其近来陆续发现许多太阳系以外的行星（即太阳系系外行星，extrasolar planets）之后。
接下来的三个因子，则攸关具备通讯能力的智能生命出现的概率。这三者都是介于0 （完全不可能）和1 （必然发生）之间的任意值。德雷克使用了一些极为乐观的数值。他深信，如果在类地行星上也有适合生命存活的条件，那么生命的出现将无可避免（fl =1）；生命一旦出现，有一半的机会将演化出智慧生物（fi = 0.5）；果真如此，这个智慧族类一定会发展出电磁波相关技术，并将电磁波送进太空（fc=1），无论他们是否刻意发送某种讯息。
不过这些数值只是顺道一提罢了。德雷克方程式所做的，远比估算银河系内外星文明的数量来得重要。它揭开全世界搜寻来自太空信号的序幕，至今仍持续进行。
SETI
SETI是全世界多年来积极寻找外星讯号的许多计划的总称。自从科学家了解如何发送和接收电磁波信号开始，我们就开始倾听来自宇宙的潜在讯息，最早甚至可追溯到19世纪末叶。
1899年，生于塞尔维亚的电机工程师兼发明家尼古拉·特斯拉在其科罗拉多泉的实验室里，运用他新开发的高感度无线电接收器研究暴风雨所产生的大气电学。过程中他监测到一连串发出一、二、三、四次哔哔声的微弱数字信号。他深信这些信号来自火星。他在1901年接受杂志专访时，回忆自己当时的激动：
当我突然间领悟，这些观察到的现象可能对人类产生无可估量的后果，我永远无法忘记那一瞬间的激动……我的第一个观测结果着实把我吓坏了，其中有一些神秘的，甚至是超自然的东西。当晚我独自待在实验室里……﹝电波信号﹞规律地出现，带着数字与顺序的明确迹象，而我却无法为这些信号找到任何已知的成因……一段时间之后，脑海中掠过一个想法：我所观察到的干扰，很可能是出自某种智慧生物之手。[1]
虽然特斯拉的谈论招来广泛的批评，但他所侦测到的信号之谜仍未解开。
针对可能来自地外智能生物的无线电波信号，1924年美国的一项短期计划首次进行严谨的探讨。当时普遍相信，最可能存在外星文明的星球是我们的邻居火星；假如火星人打算跟我们通讯，他们会在这两颗行星最接近的时刻进行。这会发生于地球穿越火星与太阳之间的时候，称之为“冲”（opposition）。这个现象有一次发生于1924年8月21日至23日之间，这时候的火星是数千年来最接近地球的一次（这个纪录在2003年8月打破，接下来在2287年还会再度打破）。当时人们认为，如果真的有火星人，他们会利用这次大接近的机会将信号传送到地球。美国海军非常认真地看待这个观点，为此推行了一个“全国无线电静默日”，要求全国各地所有电台在火星通过的36小时内，每逢整点关闭5分钟。位于华盛顿的美国海军天文台，则在一艘上升到1万英尺高的飞船中安装一部无线电接收器，全美各地的所有海军无线电台也奉命监控是否出现任何异常的电波。但他们所听到的只有一片寂静，以及那些未遵守无线电静默日的私人广播电台所发出的信号。
在德雷克的原始计划之后，SETI 运动才算真正风起云涌，并且将搜寻范围扩大到太阳系以外。以下说明能使读者了解电波望远镜已将监听范围扩展至多远。德雷克在1960年监测的两颗恒星大约在十光年以外，约是火星到地球之间距离的200万倍。这有点像你把一只杯子贴在你的墙上想偷听邻居的交谈，却什么也没听到，于是你决定在伦敦偷听纽约的对话。最关键的部分，显然在于决定电波望远镜究竟要指向何处。
加州的SETI 研究机构（SETI Institute）成立于1984年，数年后开始执行“凤凰”计划，由天文学家吉儿·塔特主导，她也是卡尔·萨根的小说《接触未来》主角的灵感来源。1995至2004年间，凤凰计划使用位于澳洲、美国与波多黎各的电波望远镜，观测距离地球200光年以内的800个类日恒星。他们什么也没找到，但这个计划为研究外星生命建立起极有价值的信息来源。塔特与天文学家同事玛格丽特·特恩布尔合作，将可能拥有足以蕴育生命行星系统的邻近恒星（称为“适居恒星”，habstars——habitable stars）分门别类，这个目录被称为“适居恒星表”（HabCat），目前已包含超过17000颗恒星，其中大部分距离地球数百光年以内，并拥有适当的条件和特性，使他们成为可能拥有类地行星环绕运行的候选恒星。
2001年，微软联合创办人保罗·艾伦同意资助SETI设立无线电波望远镜数组的首期建造工程，称为艾伦望远镜数组（或ATA）。这个兴建工程仍在旧金山东北方几百英里处持续进行中。完工后，350个直径6米的无线电接收碟盘将同时运作。第一阶段工程在2007年完成，共有43具天线开始运作。但由于政府删减研究经费，这个计划在2011年初暂时中止。不久之后，一个新成立的社群团体开始寻求私人赞助，以便重启该计划。数千民众慷慨解囊提供捐助，其中包含电影明星茱蒂·福斯特，她在改编自卡尔·萨根小说的好来坞电影《接触未来》中饰演吉儿·塔特。这一切都让我感到窝心而满足。
目前寻找ET的活动毫无放弃的迹象，反而变得更加热络。截至目前为止，我们只在电磁波频谱中有限的范围内，仔细观测了几千颗恒星。ATA计划探索远达1000光年内的100万颗恒星，搜索的频率范围也更广。德雷克当初决定观察星际氢元素产生的14.2亿赫兹（1.42GHz）电波，这是个明智的选择。我们的天空非常吵杂，充满来自各处的无线电波，包括银河系噪音、带电粒子穿过地球磁场产生的噪音，以及宇宙形成之初遗留下来的微波背景辐射。ATA所监测的频率范围介于10亿到100亿赫兹（1~10 GHz），称之为“微波窗口”，是电磁波谱当中特别安静的区段，非常适合用于探索地外生物的信号。
近年来，严谨的学术研究主要着重于搜寻可能孕育出智慧生命的类地行星，而非智慧生命的迹象。时至今日，太阳系外行星的搜寻仍是科学研究中最热门的领域之一。
系外行星
我相信我不是唯一一个对于太阳系外行星（简称系外行星）的搜寻与研究感到格外兴奋的人。观察与研究恒星是一回事，从恒星所发出的光当中，我们能够获得许多关于其组成及运行方式的信息。但研究行星则是另一件事，它们不仅远小于恒星，而且只能反射主星的光，其亮度甚至比最暗的恒星还暗百万倍。因此，我们只能以间接的方式推断它们的存在。最常用的方式是所谓的“凌日法”（transit method），也就是当行星经过恒星前方时，会使恒星亮度略降的现象。另一种方式，则是观察行星的引力对于质量大很多的主星所造成的影响，主星会产生轻微的摆动。这种现象可以由恒星朝向或远离我们运动时，其光谱所产生的频率变化（亦即多普勒偏移）中观测到，或者直接测量其位置变化亦可。
让天文学家们特别感兴趣的是一些类地行星，它们像地球一样由固态岩石构成，拥有和地球相近的重力，而且与主星的距离适中，水能以液态存在于星球表面，使得它们具有繁衍生命的潜力。截至我撰稿为止，我们已经发现了700颗左右的太阳系外行星。不过，这个数据很可能会急剧增加。2009年，美国航天总署的开普勒任务发射一艘宇宙飞船，上面载了发现系外行星所需的仪器。2011年2月，开普勒研究小组公开一份包含了1235颗可能的太阳系外行星名单，其中有54颗行星似乎落在适居带，当中还有6颗行星与地球大小相同或类似。
据估计，银河系中至少有500亿颗行星，其中至少有1％（也就是5亿颗）落在适居带。另外一种方法则估计这种适合居住的类地行星总共高达20亿颗以上，其中的3万颗距离地球1000光年以内。
截至目前为止，有两颗已证实落在适居带的系外行星特别引起科学界瞩目，并不是因为它们出现任何支持生命存在的证据，而是因为它们可能是最接近地球的“适居带行星”（Goldilocks planets）。它们拥有适合生命存在的条件，既不太热，也不太冷，就像童话故事中熊宝宝的麦片粥一样。第一颗行星叫做格利泽581d （Gliese 581d），绕着格利泽581红矮星运转，位于距离地球20光年的天秤座中。这颗行星名字结尾的字母d，表示它是被发现绕此恒星公转的第三颗行星（每一颗恒星的行星都是按照字母顺序由b开始命名，恒星本身则是A）。格利泽581d行星的大小是地球的5倍以上，最近的气候仿真研究显示，它拥有稳定的大气层，星球表面有液体水。另外还发现其他几个可能适合居住的行星也围绕着这颗恒星运行，不过尚有待确认。
第二颗候选行星是HD85512b，围绕恒星HD85512公转——这么命名是因为它被收录在亨利·德雷柏的恒星目录中。它位于距离我们36光年的船帆座中，是至今发现最小的适居带系外行星之一，目前被认为是最有可能存在外星生命的行星。它的大小约为地球4倍，表面重力为地球的1.5倍，大气顶层温度估计为25℃，地表上的温度未知，但可能高上不少。它的1年（也就是环绕主星1周所需的时间）只有54天。
更令人兴奋的是，2011年年底，开普勒任务宣布第一个确认存在的系外行星开普勒22b （Kepler 22b），相较于格利泽581以及HD85512这两颗恒星与地球的距离，虽然其主星距离地球更遥远（将近600光年），但它非常类似我们的太阳（G型主序星）。初步估计开普勒22b的直径约为地球数倍大，不过它究竟多大还不确定；我们也还无法确认它是否像地球一样是颗岩石行星，或是类似木星和土星的气体行星。如果确定是由岩石组成，那么很可能在它表面会有液态水；而它以适中的距离环绕着一颗类似太阳的恒星公转，使它成为能够孕育生命的潜在候选行星。
我们是否能在短期内找到以上所有问题的解答，这点仍值得商榷，但我们在短时间内已经在系外行星的研究上获得丰硕的成果，而新发现仍将继续纷至沓来。
我们有多么特别
当然，适合生物生存的行星很重要，不过最大的问题是：在适当的条件下，其他星球有多大的机会能孕育出生命？要回答这个问题，我们得了解地球上的生命是如何开始的。
我们的星球充满了植物、动物及细菌等生物。许多物种似乎能在最恶劣的环境中茁壮成长，特别是微生物——从极冷到极热，不论有没有阳光。生命的多样性，加上生命似乎在初生的地球冷却下来不久之后随即欣欣向荣，从这些情况来看，生命的出现并不是很困难的一件事。但这个观点是否正确呢？我们现在知道，宇宙他处（或者更确切地说，在太阳系里的别处）至少存在着适合细菌生存的环境条件，因此我们可以合理预期，生命或许已经在其他星球上出现。可单就我们所居住的地球而言，它有多特别呢？
地球离太阳的距离恰到好处，不会太热，也不会太冷。巨大的木星在地球轨道之外环绕太阳运转，这也对地球有益，因为木星就像保护弱小的大哥，它强大的重力吸引了许多在太空中游荡的碎片，防止它们抵达地球轨道撞上我们。地球的大气非常重要，不仅因为它提供我们呼吸所需的空气（毕竟生命在地球大气含有氧气之前就出现了），而是因为它与电磁辐射产生交互作用。在可见光下大气是透明的，但它会吸收一部分的红外光（热），不论在它（从太阳发出）进入大气层或离开大气层（地表辐射）的过程中皆然。这种“温室效应”使大气变暖，让水能以液态形式存在于地表上，比起冰或水蒸气，液态的水对于孕育生命更有利。
我们的月亮也极为重要。它的引力使地球的自转稳定下来，让地球拥有稳定的气候以供生命繁衍；而在月亮环绕地球运行的过程中对地函产生的潮汐力，可能帮助地函升温并使地球产生磁场，特别在数十亿年前当它距离地球比现在更近的时候。这个磁场进一步保护我们的行星免受太阳风的吹袭，否则地球的大气将会被太阳风吹入太空中。
即便是板块运动这类过程也不可或缺，因为它们帮忙回收稳定大气温度所需的碳，并且补充地表上生物所需的养分；它们可能也有助于地球磁场的形成。
或许，我们的行星真的非常特别。这是否就意味着生命的诞生乃是必然的结果？一旦生命出现并由演化机制接手，生命就会自行寻找出路，但真正的课题在于如何跨出第一步。
一般认为地球上第一种生物是单细胞的原核生物（prokaryotes，一种没有细胞核的简单生物体），出现在距今约35亿年前。这些生物有可能是由原生体（protobionts）演化而来；原生体是被一层膜包住的有机分子集合体，具有繁衍与代谢的能力，而这正是生命的两个关键特征。
我们还不知道的是，哪些一系列的事件使得如氨基酸（形成蛋白质所必须）与核苷酸（我们的DNA构成单元）这些有机分子结合成第一个“繁殖体”。“生命如何开始”是科学上最重要的问题之一，被称为无生源论（abiogenesis）。许多人将“生源论”（biogenesis，生命只能由其他生命产生的理论）与“无生源论”（生命由无机物质诞生的自然过程，即化学如何转变成生物学）混为一谈。无生源论的研究是为了找出一般称之为“自然发生”（spontaneous generation）的神奇步骤，也就是将无生命的物质转化为生命的过程。
有人认为，地球上生命的自然发生是极端罕见的，就好像一阵强风吹过垃圾场之后，从该处的材料中碰巧造出一架完整的大型喷射客机。这些人认为，这就是有机分子碰巧正确地组合在一起形成最简单生命型态的概率，简直是某种不可思议的巧合。这个类比恰当吗？
芝加哥大学的史坦利·米勒和哈罗德·尤瑞在1953年进行了一项著名的实验，试图解答这个问题。他们想看看是否能在试管中由基本成分创造出生命。他们将水与三种气体混合，分别是氨、甲烷和氢，认为这种组合与地球早期的大气成分相符，并加热使其汽化。接着他们透过两个电极产生火花，模拟地球大气层中的闪电，再将蒸汽冷凝。经过一个星期不断重复这个过程后，他们发现有机化合物开始形成，包括对生命不可或缺的氨基酸在内，它们在活体细胞中会依特定顺序组成蛋白质。但完整的复杂蛋白质在实验中并未出现，也没有发现另一种生命的关键成分核酸（例如DNA和RNA）。
尽管这个开端充满希望，但在这个重要实验进行超过半世纪以来，科学家却尚未创造出人造生命。生命自发产生的可能性真的这么微小吗？我们知道它至少发生过一次，我们的存在就是最好的证明；然而有个有趣的问题是，现今地球上的所有生命是否源自单一祖先？如果不是的话，就意味着生命的自然发生不只出现一次，也可能不如我们所想的那么特别。
最近一项备受争议的研究似乎挑战了这种想法。它是关于在加州某个奇怪的沙漠湖中所发现的“GFAJ-1菌株”（这证明微生物学家在为其发现命名时，与天文学家一样缺乏想象力）。莫诺湖约形成于100万年前，其化学组成非常不寻常。它的咸度是海洋的两到三倍，含有氯化物、碳酸盐和硫酸盐，具强碱性，pH值是10。虽然湖里没有鱼，湖水的化学成分却令它成为某种单细胞藻类以及数以兆计微小盐水虾的理想栖息地。每年当中有几个月的时间，有数以百万计的候鸟在此聚集，这些盐水虾正好成为候鸟的主食。喔，对了，湖中还含有丰富的砷。
以费利莎·沃尔夫-西蒙为首的一支NASA （美国航天总署）生物学家对微小的GFAJ-1细菌产生兴趣，它似乎能够摄取砷维生——这件事前所未见，因为砷是一种对其他所有生命具有毒性的元素。我们知道地球上的生命有各种不同的元素，但DNA本身仅由五种成分构成：碳，氢，氮，氧和磷。问题在于，它们是否能被其他化学性质相似的元素所取代。砷在周期表中位于磷的下方，具有相似的原子结构。NASA的研究人员知道，GFAJ-1对砷有耐受性，他们也知道莫诺湖中磷的含量很少。于是他们把它放在富含砷的养分中培养，结果它继续成长，即便养分中的磷完全被移除。细胞复制时需要建立新DNA 的原始素材，在缺乏五种关键成分之一的情况下，这些生物是如何活下来的？
这支研究团队在2010年底发表他们的研究成果，随即在全球科学界引起一阵风暴。他们声称，GFAJ-1事实上将其DNA结构中的磷换成了砷。如果这是真的，那么我们正面对一个意义重大的问题：这些微生物是透过演化而获得代谢砷的能力，还是它们源自另一个独立的无生源事件？如果是后者，我们就知道生命可能源自两个不同的情况，它或许不那么罕见。
我们仍然不知道地球上的生命是如何开始的。即使有朝一日我们能够回答这个问题，智慧生命出现的可能性有多大，又是另一个未解的谜。毕竟有可能生命现象出现在银河系的许多地方，但智慧生物却仅存在于一处。
针对乌鸦行为的近期研究显示，这种禽鸟循着与人类完全不同的演化路径，演化出相当出色的智慧。如果真的如此，智慧也许是达尔文演化论的必然结果。这个问题以及其他议题（例如数十亿年前单细胞生物如何演化为多细胞生物）将告诉我们，从无生源论到人类出现，两者之间漫长演化历程中的许多重要步骤，是否能在宇宙别处发生。
人本原理
有一个比费米悖论更深刻的问题，我得在本章结束前提一下。关于这个问题的探讨之前只局限于哲学界，近几年则进入主流物理学的范畴。问题核心是一个叫做“人本原理”的概念，探讨我们的宇宙（至少在我们所处的小角落）有多么微小的概率，恰好微调到如此适合人类生存。现代版本的论点由澳洲宇宙学家布兰登·卡特于1973年在一场庆祝哥白尼诞生500周年的科学会议中提出并加以阐明，该会议在波兰举行。卡特的叙述如下：“我们成为观察者所需的必要条件，必然会限制预期观察到的一切。虽然我们不一定身处于宇宙中心，但在某个程度上无疑占据了某种特殊地位。”在这种场合提出这样的想法特别引人注目，因为哥白尼正是第一位提出人类在宇宙中并未占有特殊地位的科学家。卡特却在此提出，整个宇宙之所以看起来像目前的样貌，是因为一旦宇宙有些微不同，我们将不复存在。
让我从我的专业领域核物理学出发，提供读者一个例子。自然界四大基本作用力的其中一种是强核力，这种力能将原子核结合起来。两个氢原子核（只有一个质子）无法结合在一起，因为强核力的强度还不足以做到这件事。但它的强度却足以使一个质子和一个中子结合，产生氘（即“重氢”原子的原子核）。这种原子核在氢转变成氦的核融合反应过程中扮演关键性的角色；这个反应点燃所有的恒星，并为我们提供孕育生命的太阳光与热。如果强核力稍稍变强一点呢？它的强度有可能足以结合两个质子，让氢转换成氦的过程变得容易许多。果真如此的话，宇宙中所有的氢将在大爆炸发生后随即消耗殆尽。没有氢，就不会与氧结合成水，因此（据我们所知）就没有孕育出生命的机会。
人本原理似乎指出，我们的存在决定了宇宙的某些特性，因为一旦产生些微的差异，我们可能就不会出现在这里问这些问题。不过，这点真的有这么值得讨论吗？如果宇宙真的变得不一样，或许我们（不论“我们”指的是什么）也会依照那些条件所允许的方式演化，而且仍然会问：为什么宇宙微调得这么刚好？思考这个问题的方法之一就是问自己：你是怎么来的？你的父母相遇并生下你的概率究竟有多高？他们的父母生下他们的概率又有多少？一直推演下去。我们每个人都在漫长的一连串偶发事件的其中一端，另一端可以一直回溯到生命本身的起源。只要其中任何一个环节出了差错，你就不会存在。如果愿意，你可以思考人本原理怎么运用到你身上；但比起中乐透的人思考他何以如此好运，思考这件事并没有更有意义。如果开出的不是他的号码，照样有别人中奖，而且他可能也会思索不可思议的好运从何而来。
卡特的论点后来被称为弱人本原理。除此之外还有强人本原理，指出宇宙非得成为目前的样貌不可，好让智慧生物能在某个时间点于某处诞生，以便对其存在提出质疑。这个版本有些微不同，带有更多臆测性质，我个人认为是无稽之谈。它赋予宇宙某种目的性，并且宣称为了我们的诞生，宇宙借由某种方式迫使自己呈现目前的样貌。这种论点甚至衍生出复杂的量子力学版本，足以和薛定谔的猫悖论“具有意识的观察者”的解答相提并论——因为我们对宇宙的观测，使宇宙的过去开始存在。在所有可能出现的宇宙当中，我们“选择”了能让我们存活于其中的那一个。
有个更简单的方法能帮助我们解决人本原理的难题——如果我们接受多重宇宙的多元性。如果每一种可能的宇宙都存在，那么发现自己生活在一个对我们而言恰到好处的宇宙，一点都不奇怪。
让我们回到开头的地方，也就是费米所提出关于太空安静得出奇的问题，来为本章做个总结。这个对我们而言微调得恰到好处的宇宙，对于与我们相去不远的其他生命形式来说，也会是个微调得恰到好处的宇宙。广大宇宙中数以亿计的星系意味着着，不论地球有多么特殊或孕育出生命的机会多么渺小，宇宙某处仍极可能也有生命存在。但或许，我们只是独自生活在银河系的小角落里。
为什么我们依然继续寻找外星生命，尽管有可能只是白费力气？因为我们不断寻求关于存在这个基本问题的答案。生命是什么？我们是独一无二的吗？身为人类的意义是什么，我们在宇宙中又处于什么地位？即使我们找不到这些问题的答案，我们仍会持续提出这样的问题。
[1] 原注：出自《与行星交谈》（Talking with the Planets），《科里尔周刊》（Collier's Weekly），1901年2月19日，第4至5页。
第十一章悬而未决的问题
粒子能移动得比光速快吗？我们是否拥有自由意志？以及其他未解之谜……
希望读者们都认同，我们已经成功地挑战并破解最值得探讨的9大科学悖论。我们已经驱逐了精灵，拯救了猫和祖父，阻止了孪生兄妹之间的争执，与夜晚的星空握手言和，并且纠正了希腊人芝诺。但你或许会怀疑，我特意选择已被科学完美破解的悖论，刻意略过其他悬而未解的难题，因为解答尚未找到。没错。我们的宇宙依然充满奥秘，令人着迷不已。
这些未解的难题与奥秘都属于三大类问题的其中一类（或数类）：科学即将厘清与解决的问题；科学有朝一日（也许在长远的将来）希望能解决的问题；以及科学可能无法解答的哲学或形上学问题，其原因包括超过科学的范畴，或者我们无论如何都想不出探讨问题的方法，遑论提出令人满意的解答。
在本书末尾，我只打算将一些待解的问题分门别类，而非巨细靡遗地陈述这些问题。要强调的是，以下问题的排序并非依照我个人认为它们多快能获得解决；此外，这份清单也是我个人极为主观的选择，既不具全面性，亦不局限于造成悖论的问题与疑惑。我之所以把它们列出来，是为了凸显宇宙还有多少课题有待我们研究，以及我们目前的进度究竟到哪里。
首先列出属于第一类的10个问题。预期在我有生之年，科学将会找到满意解答：
1. 宇宙中的物质（matter）为何比反物质（antimatter）多得多？
2. 暗物质（dark matter）是由什么构成？
3. 暗能量（dark energy）究竟是什么？
4. 有可能打造出全功能的隐形斗篷吗？
5. “化学自我聚合”（chemical self-assembly）在生命的形成上扮演多大的角色？
6. 有机分子长链如何折迭成蛋白质？
7. 人类的寿命长度是否有个绝对上限？
8. 记忆如何在大脑中储存与撷取？
9. 我们是否有朝一日将具备预测地震的能力？
10. 传统硅芯片的运算极限在哪？
接下来是10个我相信科学终将解决的问题，但不确定是否能在我的有生之年实现：
1. 粒子是否真的由微小的、振动的弦所构成？或者弦论不过是一种聪明的数学罢了？
2. 大爆炸之前的宇宙有什么？
3. 隐藏维度（hidden dimensions）真的存在吗？
4. 大脑由何处产生意识？如何产生意识？
5. 机器能具有意识吗？
6. 返回过去的时光旅行是否可能发生？
7. 宇宙是什么形状？
8. 黑洞的另一头有什么？
9. 是否有比量子的诡异特性更基本的物理原理？
10. 有没有可能进行人体的量子瞬移传送？
最后则是许多人认为属于科学范畴，但我认为科学恐怕无法回答的问题：
1. 我们是否拥有自由意志？
2. 平行宇宙真的存在吗？
3. 造成宇宙出现并存在的原因是什么？
4. 究竟是我们发明数学来描述宇宙，抑或是物理方程式本来就存在，只等着我们去发现呢？
比光还快吗
在最后一章结束之前，我想提供读者一个许多人认为是潜在悖论的范例——如果近期的某个实验结果可信的话。截至本书撰稿时为止，粒子物理学界有两个悬而未解的谜，它们成为2011年举世皆知的头条新闻，而日内瓦CERN （欧洲核子研究机构）的粒子加速器进行中的实验正企图解决它们。第一个问题是，粒子是否能跑得比光速快；第二个则是难以捉摸的希格斯玻色子是否真的存在，这种粒子带给宇宙万物各自的质量。至截稿为止，这两个问题的答案仍然没有定论，都需要更进一步的实验确认。为了让这本书不至于一下子就过时，我冒险预测了这两个问题的解答：希格斯玻色子的存在将会在2012年夏天获得证实，而名为微中子的次原子粒子将会被确认以略低于光速行进。不过万一我的预测出错，届时请不要来找我算账。[1]
上述的两个重大消息分别是：备受争议的“某些微中子能行进得比光速快”，以及初步发现希格斯粒子的存在。而前者较符合我们对于科学悖论的定义。
截至目前为止，故事是这样的：瑞士的CERN实验室及意大利的格兰沙索国家实验室进行一项合作研究，测量行经两个实验室之间微中子束的传递速度，这条454英里的直线路径穿过地表下的坚硬岩石。这些微中子之所以能像穿越太空一样穿过地球前进，是因为它们几乎不会与任何物质产生交互作用。事实上，此刻正有数以兆计的微中子（其中多数由太阳产生）正穿过你的身体，而你却浑然不觉。
这个名为OPERA （“乳胶寻迹仪微中子震荡计划”的缩写：Oscillation Project withEmulsion-tRacking Apparatus）的合作计划，其核心是一部座落于格兰沙索的大型精密仪器，能够捕捉到极小部分这种难以侦测粒子的轨迹。2011年9月，参与研究的科学家宣布，他们记录到由CERN发射出来的微中子，抵达时间比光提早了一兆分之60秒。这个速度虽然只比光快上一点点，但依旧不可思议。
根据我们对物理定律的了解，没有任何物体能快过光速。不过根据我的经验，在爱因斯坦的相对论中，最令一般人难以接受的部分正是这个宇宙速限。自从爱因斯坦于1905年发表他的理论以来，已经有数以千计的实验结果确认其正确性。不仅如此，现代物理体系的美妙绝大部分建立在相对论的基础上。重点不在于光有多么特别，而在于这个速限与时空结构合而为一。
但如果爱因斯坦错了呢？该怎么解释OPERA的发现？科学理论存在的目的乃是为了成为箭靶，让新的实验证据证明其局限性，并且用更精确、涵盖范围更广的理论取而代之。不过，石破天惊的主张需要石破天惊的证据支撑，而OPERA的科学家是第一批承认不知道为什么会出现这种结果的人，他们无法从他们的实验细节中挑出任何毛病。
在媒体大肆渲染爱因斯坦出了差错之后，戏剧性的转折出现了。另一项也在格兰沙索进行、名为ICARUS的对手实验，也捕捉到一小部分来自CERN的微中子，但这个实验测量的是它们所携带的能量，而非行经这段距离所耗的时间。在OPERA的初步结果公布之后，随即有理论物理学家指出，如果微中子真的超越光速，那么它们将会一路释出辐射，不断丧失能量。如果它们没有丧失能量，就有如飞机突破音障却不产生音爆一样奇怪；这是不可能的。
ICARUS实验的科学家宣布，他们并未发现任何关于微中子释放出这种辐射的证据，抵达的微中子所具有的能量与发射时相同。因此，这种粒子可能并未行进得比光还快。
重点在于，相对于OPERA证明爱因斯坦的错误，ICARUS并未能更加有力地证明爱因斯坦的正确性。两者都是实验量测的结果，而非“发现”。必须由其他实验室独立进行一项新的实验，才能适当地进行验证。我相信，新的实验将会证明光速仍然保持世界纪录的地位。
不过，如果微中子真的比光还快，我会满心欢喜。这个发现一旦证实，将成为全世界物理学家的乐园。大家会进行脑力激荡，整个黑板写满方程式，而诺贝尔奖将是解决微中子悖论的新爱因斯坦的囊中物。
[1] 本章中的两大未解问题都已经尘埃落定，后续进展如下：
1. 关于OPERA实验所侦测到的微中子速度异常现象，该实验团队在2012年2月发现GPS接收器到OPERA主定时器之间的线路连接不良，导致测量到的微中子抵达时间提早了。修正此一误差后，根据OPERA于2012年7月宣布的最终结果，微中子速度并未超过光速。
2. CERN已于2012年7月4日正式宣布，确认希格斯玻色子的存在。作者在文中对于这两个问题解答的预测都是对的。
(全书完)