德雷克公式由美国天文学家法兰克·德雷克(Frank Drake)于1960年代在绿岸镇提出的一条用来推测“可能与我们接触的银河系内外星球高智文明的数量”之公式。已故康奈尔大学天文学家卡尔萨根(Carl Sagan)也参与了方程的研究并在作品中大量描述。

德雷克公式的介绍

德雷克方程式用以推算银河系及可观测宇宙能与我们进行无线电通信的高智能文明数目。

公式1:N=Ng×Fp×Ne×Fl×Fi×Fc×FL

公式2:N=R*×Fp×Ne×Fl×Fi×Fc×L

德雷克公式的解释

公式1为:N=Ng×Fp×Ne×Fl×Fi×Fc×FL

意思为:

银河系内可能与我们通讯的文明数量=银河系内恒星数目×恒星有行星的比例×每个行星系中类地行星数目×有生命进化可居住行星比例×演化出高智生物的概率×高智生命能够进行通讯的概率×科技文明持续时间在行星生命周期中占的比例。

其中:

N 代表银河系内可能与我们通讯的文明数量

Ng银河系内恒星数目

fp恒星有行星的比例

ne每个行星系中类地行星数目

fl有生命进化可居住行星比例

fi演化出高智生物的概率

fc高智生命能够进行通讯的概率

fL科技文明持续时间在行星生命周期中占的比例

公式2为:N=R*×Fp×Ne×Fl×Fi×Fc×L

公式2与公式1的区别在于R*替代了Ng,L替代了fL。

R*为银河系形成恒星的平均速率,

L为科技文明寿命

德雷克公式的参数

Ng——银河系内恒星数目

由于天文望远镜、射电望远镜……等对代表性天空恒星数目计数,可以较为准确估算整个银河系恒星数。另外伯克利开放平台的分布式计算,已经在为整个银河系三维结构建模([email protected]),以及正在搜寻地外文明([email protected]),对无穷无尽的宇宙射电源进行分析,找出地外文明的信息。 而使用的方法不是 超级计算机而是全世界 闲置的家用电脑,共同完成计算。(参与方式:参见中国分布式论坛)

目前估算银河系大约有4000亿个恒星,而宇宙中已发现了数十亿个河外星系与银河系相当。但是宇宙中的恒星远远不止于此(还有更多不可计数的未发现星系)!但是这数十亿个星系平均距离超过200万光年;这意味着,没有空间跳跃技术或是虫洞,或是时空之门,文明与文明的通信可能性为0。

fp——恒星有行星的比例

一般来说恒星的形成都伴随行星的形成。但是天文观测表明银河系中超过50%都是双星系和多星系系统。这样恒星能否形成行星,理论学家无法确定,可能不会形成行星。不排除行星存在于多星系统中其中一个恒星的可居住带内,那样那颗行星上将会看到不止一个太阳。

目前已经发现300多个主序星都具有行星(2009年4月的数据是发现了346个太阳系以外的恒星周围的行星),随着观测技术的进步,对恒星数据长期积累越来越多将很有可能确定太阳系行星系统是否在银河系中常见。

一般认为fp小于0.5,在这里我们保守估计为0.1

ne——每个行星系中类地行星数目

通过对太阳系CHZ(持续可居住带)宽度乐观估计,类似太阳的恒星都可能具有可居住行星,我们46亿年后CHZ宽度为0.4AU基本等于靠近太阳的4颗行星平均距离,这四颗恒星位于太阳0.4-1.5AU之间。因此太阳型的恒星很可能有一个行星位于CHZ。

保守估计这一概率为50%,但是这个持续可居住带的估算是以太阳光谱,所以只考虑光谱类型与太阳接近的恒星,适合数目概率为0.2。

0.5×0.2=0.1所以 ne保守值也取0.1

2009年3月NASA启动开普勒计划,开普勒望远镜瞄准银河系一个区域观测15万个恒星的亮度,准确度达到是十万分之一。以地球为例,经过时会挡住太阳光的万分之一,那么开普勒可以检测地球大小的行星,如果他们存在。而这些数据我们还要再等些年才能确定。

fl——有生命进化可居住行星比例

对于生命起源是随机问题还是必然问题还无法确定。

目前还未找到fl的估算方法,无法给fl赋值。一般科学家认为行星大气O2的出现是生命存在的暗示。

笔者认为生命起源于对称破缺与物质循环。只要一个类地行星处于持续可居住带内,存在大气运动和地壳运动带动,物质循环。那么个人乐观的认为是必然性。

以地球为例,早起的强还原性大气的化学进化的基本,参见米勒试验,证明氨基酸的产生。另外星际具有大量的有机分子,可以通过彗星带到行星上,构成行星最早的有机物。而核糖形成的第一步是甲醛,在弱还原性富含CO2的大气环境中光反应可以很容易产生甲醛,而 甲醛转化为核糖并不困难,当然也会产生其他糖类,这些其他糖类会干扰RNA的形成。能够形成稳定源于对称破缺与自催化反应的放大。

氢氰酸的形成比甲醛更为困难,而这是形成碱基的必要条件。HCN可能产生于闪电,也可能源于CH4在平流层中的光裂解碎片与电离层中N原子结合生成。 如果在电离和平流层中形成HCN那么CH4和NH3只需要从星际尘埃中带来即可。事实上星际尘埃中也 含有氨基酸和许多复杂有机物。

另外通过类地行星探测器可以对行星大气光谱分析,以确定大气中O2 、O3 和水的 存在。O2在760nm处有强吸收。

个人对fl值成乐观态度。

fi——演化出高智生物的概率

fi我们无法定义,也不清楚是什么。究竟什么是智能?

海豚算不算智能?

从寒武纪到现在97%的物种都灭亡了,现存的物种800-1000万也仅仅只占地球出现物种的极少部分。生物的灭绝为新生物的诞生与进化铺平道路。如果没有白垩纪的碰撞事件,恐龙就不会灭绝,新生代也不会诞生,人类也不会产生。但如果彗星碰撞太过频繁又不利于生命进化; 所以生命进化需要类地行星地质灾害与突变事件,但又不能太频繁。

太阳系中撞击地球的碰撞通量最关键的因素是——木星。木星巨大的体积扰动了小行星带的小行星轨道进入地球轨道。同时又能阻止冲向地球的彗星进入地球轨道,如果其他行星系具有类似彗星通量,那么就必须具备类似木星巨行星才能确保内行星的环境稳定。

为什么如此多的物种只有人类进化到了智能与文明?而且占整个地球的历史是如此短暂?史前文明真的存在么???

个人认为生命的诞生是必然,智能的产生是极其偶然的。笔者坚信宇宙中存在大量具有生命,但不具备智慧生物的星球。对于fi笔者成悲观态度,应该比较低。

fc——高智生命能够进行通讯的概率

人类的进化从直立行走,走出非洲;到使用工具改造环境,都和扰动事件有关。最重要的扰动就是气候变化使得人类社会从采集狩猎社会向农业社会转变,这是文明诞生的基本前提。

而气候循环的最基本驱动力与地球的倾斜角度密切相关。

fc的值应该很难预估。

卡尔萨根在其著作中乐观的估计Fl×Fi×Fc约等于1/300

那么N=10*7×FL(7表次方)

根据这个估算,N的大小取决于“fL科技文明持续时间在行星生命周期中占的比例”

fL——文明持续时间占行星生命周期比例

这是整个方程最大的不确定项!

一个行星的生命周期可以近似为一个恒星主序星的寿命。但最关键的一个问题“一个科技文明能持续多长”?生命的起源与进化是必然与偶然性的交织,但并不取决于自身。而科技文明掌握了自我毁灭的力量,我们无法知道导致我们毁灭的原因也许毁灭于一场核战争。

如果文明因自然而消亡,其寿命会长得多。5亿年之后C3的光合作用将消失。但人类未来的科技创新 比如:星际旅行、或者在地球与太阳的拉格朗日点建造遮阳罩就可以解决。

德雷克方程最大的不确定项是“科技文明的存在时间”,因为该项取决于科技文明本身。

试想一下,冷战时候的前苏联和美国如果爆发核战争,其核弹数量足以毁灭全人类的文明。当然,美国和前苏联都不敢优先动手引发核战争,因为后果是严重的。

联合国为什么那么紧张朝鲜一样的小国拥有核武器?因为那样超级大国的核平衡、核威慑将会被打破,从局部就可能引发全球的核战争,毁灭整个人类的文明。

纵观整个人类的文明史,无论古代的暴君还是近代的领袖;无论民主还是集权;无论何种社会制度;总会有反社会人格的人成为领导者。比如:希特勒、麦肯锡的反人类罪行。一旦具有反社会人格的人成为领袖,对人类文明是灾难性的!这还包括极端的种族主义,极端宗教与恐怖主义。

一个高度文明的、民主的社会就要对权利进行监督,以防止反社会人格者成为领袖;或者即便成为领袖也受到制约,不至于干出“种族灭绝”一类的反人类的罪行!

另一方面,人类的空间技术不够成熟,小行星的撞击也可能毁灭整个人类文明;还有超级火山的爆发,火山灰破到达平流层持续数月,光合作用完全停止;坏整个地球的农业,内陆变得异常寒冷……( 研究认为,白垩纪-第三纪的大碰撞比核战争更具毁灭性)

对于小行星来袭,我们可以参见电影《彗星撞地球》用核装置使其彗星偏离轨道,或者在彗星内部钻井降其炸成碎片。

在文明的历程中存在太多不确定因素,文明的持续时间也取决于我们自身。

人类社会如果能够保持和完善,对于可能出现反人类,反文明的罪行加以制止,远离核威胁……。 并且 科技文明能够很好的应对和监控小行星来袭或者彗星撞地球,以及超级火山。那么文明将持续很久。

如果科技文明在行星生命周期中持续较长的时间,那么文明同时存在的数目就可能非常大,当N=5000000时 平均距离只有250光年。 这意味着,智慧文明很可能相遇!

不管我们取值多么保守,宇宙中也必然存在外星智慧生命。即使德雷克方程所有项都取最低值,假设科技文明只能持续100年那样短暂。那么银河系有科技文明的N=0.1,这意味着银河系只有人类存在。但是!已经发现了数十亿银河系,而宇宙的星系远不止于此。那么宇宙中的科技文明数量也是上亿,只是这个平均距离不是200光年而是200万光年。

如果人类的文明还未与外星文明相遇便已经被自身灭亡,这是多么悲哀的啊!对于宇宙来说,人类的文明真的存在过么?

德雷克方程式推理

如果银河系恒星处于稳定状态(与现代观测相符合),那么R*等于银河系内恒星数目(Ng)除以恒星平均寿命(Ls) 。

R*×L就等于(Ng/Ls)L=Ng(L/Ls)。 由于(L/Ls)与fL基本相同,故两个表达式等价。

德雷克方程虽然简单,但却无法求解。该方程最大的不确定项是“科技文明的存在时间(L)”因为该项取决于科技文明本身,其中有些项是已知项。 由于L是最大的不确定项,在“独眼巨人计划”中,方程可以被简化为N=L。

德雷克公式的意义

科学家推测银河系中存在大量的可居住行星,而智慧文明的数量也很庞大,文明之间的联系是否被光速恒定所阻挡呢?

随着开普勒系外行星探测器等陆续发现新的太阳系之外行星世界,可居住星球可能在不久的将来被我们发现,而外星智慧文明则是一些研究人员不断追寻的目标,早在1960年代,科学家法兰克·德雷克就提出了可能与人类接触的外星智慧文明数量,也被称为德雷克公式。目前,开普勒望远镜的故障令美国宇航局感到惋惜,对系外行星探索计划而已是个重大打击,科学家已着手重启系外生命的探索计划,预计在未来10年之内发现太阳系外的生命迹象[1]。

1961年,法兰克·德雷克认为可以根据一个新的方程式计算外星文明数量,但是该公式中有一个变量在当时还不得而知,即系外恒星存在行星的可能性有多少。过去的二十年内,系外行星的发现报告如同雨后春笋般涌出,其中开普勒望远镜的发现占据了相当大的比例,该探测器自2009年发射后,已经发现130多个系外行星世界,等待确认的数量达到3000颗左右,显然系外行星在恒星周围是普遍存在的。

对此,麻省理工学院的研究人员萨拉·西格认为目前需要对德雷克方程式进行修改,这个时机已经成熟,我们已经估计出整个银河系中行星数量的大致范围。在马萨诸塞州举行的会议上,西格提出了该议案,并作了题为“后开普勒时代系外行星探索”的报告。虽然开普勒望远镜出现了故障,但是该探测器在4年时间内的观测数据库十分庞大,其中可能包含了恒星周围可居住带上岩质行星的信号。

德雷克方程式一共有七个变量,分别为银河系内恒星形成速率、恒星周围存在行星的可能性、可居住带上存在岩质行星的概率、行星可演化出生命的概率、行星生命演化至高级文明的概率、外星高级文明可发展出星际通讯技术的概率、银河系内可能与我们发生联系的高级文明数量。开普勒探测器的发现成果已经可以解读该公式中的两个变量,即行星世界存在概率与可居住带上岩质行星出现的可能性。为了进一步缩小范围,开普勒望远镜此前已经对天鹅座附近150,000颗恒星进行观测,试图寻找恒星出现的周期性亮度变化,发现行星凌日现象。

通过这个方法,科学家可以发现行星存在的数量以及与主恒星之间的平均距离,在开普勒探测器发射之前,只有少数几颗行星被确认为是体积与地球相近的岩质行星,此类搜索方法适用于寻找体积较大的气态行星。随着开普勒望远镜陷入困境,发现可居住带上的行星任务变得艰难,有研究人员认为寻找类地行星的任务可能需要7至8年的数据支持,开普勒首席研究员威廉·布鲁克则认为现有的数据中已经存在类地行星的信号。

萨拉·西格提出的改进德雷克方程主要定义域为红矮星,此类恒星比太阳要小,温度更低,如果它们周围存在类地行星是很容易被发现的。更重要的是,红矮星是我们银河系中最常见的恒星,科学家发现距离地球最近的可居住行星可能位于6.5光年之外的红矮星系统中。寻找宇宙生命的方法还可以从探测生命代谢产生的气体入手,通过更加细致的光谱分析可以发现这些行星的大气成分,如果探测到生物信号,那么也可以证明这些星球是可居住的。

即将入轨的詹姆斯·韦伯太空望远镜将加入对可居住行星的探索任务,SETI研究所研究人员吉尔·塔特认为如果发现了生物信号,那么我们将会花更多的时间对这一星球进行观测,从表面上看这是一个可居住的星球,但事实上其不仅仅是一个可居住的世界,背后还隐藏着更多的奥秘。

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