Khả năng tồn tại sự sống ngoài không gian là bao nhiêu?

Kể từ khi con người thừa nhận sự khổng lồ của vũ trụ, chúng ta đã có trực giác rằng sự sống phải tồn tại ở đâu đó, trong thiên hà của chúng ta hoặc một thiên hà nào đó ở rất xa, rất xa. Nếu vũ trụ chứa hàng tỷ thiên hà, và nếu mỗi thiên hà chứa hàng tỷ ngôi sao , và nếu một phần nhỏ trong số các ngôi sao đó có hành tinh giống Trái đất , thì hàng trăm - thậm chí có thể hàng nghìn - nền văn minh ngoài hành tinh phải tồn tại trên khắp vũ trụ. Đúng?

Trong một thời gian, khoa học tự hài lòng với logic đơn thuần. Sau đó, vào năm 1995, các nhà thiên văn học đã định vị được các hành tinh đầu tiên bên ngoài hệ mặt trời của chúng ta . Kể từ đó, họ đã phát hiện ra gần 300 hành tinh ngoài hệ Mặt Trời này. Mặc dù hầu hết là các hành tinh lớn, nóng tương tự như Sao Mộc (đó là lý do tại sao chúng dễ tìm thấy hơn), các hành tinh nhỏ hơn, giống Trái đất đang bắt đầu lộ diện. Vào tháng 6 năm 2008, các nhà thiên văn học châu Âu đã tìm thấy ba hành tinh, tất cả đều lớn hơn Trái đất một chút, quay quanh một ngôi sao cách 42 năm ánh sáng [nguồn: Vastag ].

Những khám phá này như một lời khẳng định cho những ai tham gia vào việc tìm kiếm sự sống thông minh ngoài Trái đất , hay còn gọi là SETI . Nhà vật lý Harvard và nhà lãnh đạo SETI Paul Horowitz đã mạnh dạn tuyên bố trong một cuộc phỏng vấn năm 1996 với Tạp chí TIME, "Sự sống thông minh trong vũ trụ? Được đảm bảo. Sự sống thông minh trong thiên hà của chúng ta? Rất có thể tôi sẽ cho bạn hầu như bất kỳ tỷ lệ cược nào bạn muốn."

Tuy nhiên, sự nhiệt tình của anh ấy phải được tôi luyện bởi cái mà các nhà khoa học gọi là Nghịch lý Fermi . Nghịch lý này, lần đầu tiên được nhà vật lý hạt nhân Enrico Fermi nêu ra vào năm 1950, đặt ra những câu hỏi sau: Nếu người ngoài Trái đất rất phổ biến, tại sao họ chưa đến thăm? Tại sao họ không liên lạc với chúng tôi? Hoặc, cuối cùng, tại sao chúng không để lại một số tàn dư của sự tồn tại của chúng, chẳng hạn như nhiệt hoặc ánh sáng hoặc một số phụ phẩm điện từ khác?

Có lẽ cuộc sống ngoài Trái đất không quá phổ biến. Hoặc có lẽ sự sống ngoài trái đất làm phát sinh các nền văn minh tiên tiến không quá phổ biến. Giá mà các nhà thiên văn học có thể định lượng được những tỷ lệ chênh lệch đó. Giá như họ có một công thức tính tất cả các biến đúng liên quan đến sự sống ngoài Trái đất. Hóa ra là vậy. Năm 1961, để giúp tổ chức hội nghị nghiêm túc đầu tiên về SETI, nhà thiên văn học vô tuyến Frank Drake đã trình bày một công thức, ngày nay được gọi là Phương trình Drake , ước tính số lượng các nền văn minh thông minh tiềm năng trong thiên hà của chúng ta. Công thức này đã gây ra nhiều tranh cãi, chủ yếu là vì nó dẫn đến các kết quả khác nhau. Và nó vẫn là cách tốt nhất của chúng tôi để định lượng xem có bao nhiêu người ngoài Trái đất đang cố gắng giao tiếp.

Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn phương trình và hàm ý của nó.

Nội dung

1. Chúng ta có một mình? Phương trình Drake
2. Kiểm tra và sửa đổi phương trình Drake
3. Khả năng có sự sống ngoài không gian là bao nhiêu?: Ghi chú của tác giả
4. Tỷ lệ cuộc sống ngoài Trái đất: Cheat Sheet

Việc cố gắng tính toán xác suất tồn tại sự sống ngoài Trái đất trong vũ trụ thực sự khá phức tạp. Vũ trụ không phải là một môi trường tĩnh. Các ngôi sao được sinh ra, chúng sống và chúng chết đi. Một số ngôi sao hình thành liên kết với các hành tinh. Những người khác thì không. Chỉ một số hành tinh trong số đó có điều kiện thích hợp để hỗ trợ sự sống.

Cuộc sống là một biến số phức tạp theo đúng nghĩa của nó. Một số hành tinh có thể hỗ trợ các phân tử hữu cơ phức tạp - protein và axit nucleic - và không có gì khác. Các hành tinh khác có thể hỗ trợ các sinh vật đơn bào , đơn giản . Và vẫn còn những sinh vật khác có thể hỗ trợ các sinh vật đa bào, bao gồm cả những sinh vật đủ tiên tiến để phát triển công nghệ du hành hoặc gửi tín hiệu vào không gian vũ trụ. Cuối cùng, ngay cả những sinh vật đã thích nghi cực kỳ tốt với môi trường của chúng cũng không tồn tại mãi mãi. Như cả khủng long và Đế chế La Mã đều minh họa ở đây trên Trái đất , tất cả các triều đại đều kết thúc, dù là đại hồng thủy hay cách khác.

Frank Drake đã phải tính đến tất cả các biến số này trong việc phát triển một công thức để định lượng khả năng tìm thấy sự sống ngoài Trái đất. Nhiệm vụ đầu tiên của anh ấy là quyết định những gì anh ấy muốn tính toán. Đầu tiên, ông giới hạn suy nghĩ của mình đối với những người ngoài trái đất trong thiên hà quê hương của chúng ta - và chỉ những người có thể có khả năng giao tiếp giữa các vì sao. Sau đó, ông đưa vào một hệ số toán học để giải thích cho tất cả các điều kiện cần thiết để cho phép các nền văn minh đó phát triển. Kết quả là công thức sau:

N = Rf _p n _e f _l f _i f _c L

Trong phương trình này, N là số nền văn minh có thể phát hiện được trong thiên hà của chúng ta. Các biến khác được mô tả dưới đây:

Biến số duy nhất được biết với bất kỳ mức độ chắc chắn nào là tốc độ hình thành sao , R. Trong Dải Ngân hà, một thiên hà xoắn ốc điển hình, các ngôi sao mới hình thành với tốc độ khoảng bốn mỗi năm [nguồn: Cain ]. Biến số mà các nhà thiên văn học cảm thấy không chắc chắn nhất là L , khoảng thời gian mà một nền văn minh vẫn có thể phát hiện được. Nhiều ước tính đã được sử dụng cho L , từ 10 năm đến 10 triệu năm.

Các nhà thiên văn học có thể đưa ra những phỏng đoán có học về phần còn lại của các biến số. Ví dụ, trong số chín hành tinh trong hệ mặt trời của chúng ta , chỉ có bốn hành tinh được các nhà thiên văn gọi là hành tinh trên mặt đất - những hành tinh có bề mặt rắn. Trong số các hành tinh trên mặt đất, chỉ có Trái đất hỗ trợ sự sống. Nếu lấy hệ mặt trời làm đại diện, chúng ta có thể lập luận rằng n _e bằng 1/4 hoặc 0,25. Các dự đoán tương tự đã được thực hiện về các biến khác và thú vị là chúng đều có các giá trị rất giống nhau, thường nằm trong khoảng từ 0,1 đến 1,0. Vì vậy, một phép tính điển hình có thể trông như thế này:

N = 4 x 0,5 x 0,25 x 0,2 x 0,2 x 0,2 x 3,000,000

mang lại cho chúng ta giá trị của 12.000 nền văn minh trong thiên hà của chúng ta.

Drake's original calculations were very close to this value for N. When he ran the numbers, he predicted that there might be 10,000 detectable civilizations in the Milky Way [source: Garber ]. Carl Sagan, a leader in the SETI movement until he passed away in 1996, was even more generous when he suggested that 1 million civilizations might exist in the galaxy [source: Lemarchand ]. That's a lot of ETs!

No wonder astronomers were so optimistic when they started searching diligently for extraterrestrial life in the 1960s. On the next page, we'll look at how they've conducted this search and what it has turned up.

Armed with an estimate of the number of communicative civilizations in our galaxy , SETI scientists set out to find them. They had two basic options: face-to-face communication or long-distance communication. The former scenario required that extraterrestrials visit humans or vice versa. This seemed highly unlikely given the distances between our solar system and other stars in the Milky Way . The latter scenario involved radio broadcasts, either sending or receiving electromagnetic signals through space.

In 1974, astronomers intentionally transmitted a 210-byte message from the Arecibo Observatory in Puerto Rico in the hopes of signaling a civilization in the globular star cluster M13. The message contained fundamental information about humans and our corner of the universe, such as the atomic numbers of key elements and the chemical structure of DNA . But this sort of active communication has been rare. Astronomers mostly rely on passive communication -- listening for transmissions sent by alien civilizations.

A radio telescope is the tool of choice for such listening experiments because it's designed to detect longer-wavelength energy that optical telescopes can't see. In radio astronomy, a giant dish is pointed to a nearby, sunlike star and tuned to the microwave region of the electromagnetic spectrum. The microwave frequency band, between 1,000 megahertz and 3,000 megahertz (MHz), is ideal because it's less contaminated with unwanted noise. It also contains an emission line -- 1,420 MHz -- that astronomers can hear as a persistent hiss across the galaxy. This narrow line corresponds to energy transformations taking place in neutral hydrogen. As a primordial element of the universe, hydrogen should be known to all intergalactic civilizations, making it an ideal marker. Several teams from around the world have been systematically listening to stars across the Milky Way and adjacent galaxies since 1960.

Despite their collective efforts, no SETI search has received a confirmed, extraterrestrial signal. Our telescopes have picked up a few unexplained and intriguing signals, such as the so-called "Wow" signal detected by researchers at Ohio State University in 1977, but no transmission has been repeated in such a way that it provides indisputable evidence of extraterrestrial life. All of which brings us back to the Fermi Paradox: If thousands of civilizations in the Milky Way galaxy, why haven't we detected them?

Since Drake and Sagan made their estimates, astronomers have become more conservative. Paul Horowitz, who boldly guaranteed the existence of extraterrestrial life, has generated more modest results from the Drake Equation, finding that N may be closer to 1,000 civilizations [source: Crawford ]. But even that figure may be too large.

In 2002, Skeptic magazine publisher Michael Shermer argued that astronomers weren't being critical enough in their evaluation of L, the length of time a civilization remains detectable. Looking at 60 civilizations that have existed on Earth since the dawn of humanity, Shermer came up with a value for L that ranged from 304.5 years to 420.6 years. If you plug these numbers into the Drake Equation, you find that N equals 2.44 and 3.36, respectively. Tweak the numbers some more, and you can easily get N to fall to one or even lower. Suddenly, the odds of hearing from an extraterrestrial life form are considerably lower.

Ngay cả những người ủng hộ SETI nhiệt tình nhất cũng gặp rắc rối vì thiếu kết quả do hơn 40 năm "lắng nghe" sóng vũ trụ. Tuy nhiên, hầu hết tìm kiếm đó chỉ được giới hạn trong thiên hà nhà của chúng ta. Ngay cả khi chỉ có ba hoặc bốn nền văn minh trên mỗi thiên hà, thì cũng có hàng tỷ tỷ thiên hà. Điều này làm nghiêng tỷ lệ cược một lần nữa nghiêng về việc tìm kiếm sự sống ngoài trái đất, đó là lý do tại sao nhiều nhà thiên văn học SETI có cùng cách tiếp cận công việc của họ như những người chơi xổ số: Bạn không thể thắng nếu bạn không chơi.

Khi làm tác phẩm này, tôi không thể ngừng nghĩ về Ellie Arroway, nữ chính trong cuốn sách "Liên hệ" của Carl Sagan (và hình ở trang hai). Có một cảnh trong bộ phim năm 1997 được chuyển thể từ cuốn sách, trong đó Arroway, đang nằm trên đỉnh ô tô của cô ở sa mạc New Mexico, nghe thấy những xung đột đầu tiên về lời chào của một nền văn minh ngoài hành tinh. Cô chạy trở lại phòng thí nghiệm, hét lên chỉ đường cho các đồng nghiệp của mình khi cô đi, cố gắng đảm bảo dãy kính thiên văn vô tuyến luôn được điều chỉnh theo tín hiệu. Tôi vẫn cho rằng đó là một trong những cảnh thú vị nhất trong điện ảnh Mỹ hiện đại. Nó khiến cuộc tiếp xúc với người ngoài hành tinh dường như không chỉ hợp lý mà còn sắp xảy ra.

Tôi không biết gì về Phương trình Drake khi lần đầu tiên tôi xem "Liên hệ". Sau đó, tôi nhận được nhiệm vụ này và hiểu ra một thực tế khắc nghiệt (ít nhất là nếu bạn đang nghển cổ, hy vọng có thể nhìn thấy ET): Rốt cuộc, thiên hà của chúng ta có thể không đông đúc bằng các nền văn minh ngoài hành tinh. Hoặc các điều kiện không tồn tại để cho phép chúng tiến hóa, hoặc nếu chúng tiến hóa, chúng sẽ xuất hiện trước khi chúng ta có cơ hội gặp chúng. Tất cả những điều đó khiến tôi tự hỏi Arroway sẽ phản ứng như thế nào với Phương trình Drake. Tôi có cảm giác rằng cô ấy sẽ vẫn lạc quan như mọi khi, bám vào niềm tin của cô ấy rằng vũ trụ sẽ là một "sự lãng phí không gian khủng khiếp" nếu chúng ta là cư dân duy nhất của nó.

Nguồn

Những điều bạn cần biết:

Bây giờ, hãy kiểm tra kiến ​​thức của bạn với những câu đố này!

Kiểm tra các phòng trưng bày hình ảnh này!