行星维持生命的要素

“金星太热，火星太冷，地球刚刚好”，行星科学家戴夫·布莱恩说。但为什么？在这个关于行星的幽默的演讲中，布莱恩解释了一个有生命行星背后的有趣科学，以及为什么人类可以在正确的时间、正确的地点，出现在有生命星球的时间线上。

我很高兴能在这里。

很高兴你们也在这里，

因为这会有点奇怪。

我很高兴我们都在这里。

我说的"这里"，并不是指这里，

或者这里，

而是这里。

我指的是地球。

我说的"我们"并不是指
我们坐在会场里的人，

而是生命，

地球上所有的生命。

（笑声）

从复杂的生命到单细胞的生命，

从霉菌到蘑菇，

到会飞的熊。

（笑声）

有趣的是，

地球是我们已知的
唯一有生命的地方，

870万种生物。

我们曾经在其他星球寻找生命，

或许没有尽全力，

但我们确实没有发现过。

地球是我们已知的
唯一有生命的地方，

地球很特别吗？

从我小时候起，

我就一直想要知道这个问题的答案，

我觉得这个会场里80%的人

都曾经思考过同样的问题，
并且想要知道答案。

为了知道是否有其他星球

—在我们太阳系中或是之外的—

能够支持生命的存在，

第一步就是要理解生命需要什么。

事实表明，
虽然地球上有着870万种生命，

但生命的存在只需要三样东西。

首先，所有地球上的生命都需要能量。

复杂的生命，例如我们，
从太阳那里获得能量。

但是在地底的生命则
通过其他方式，

比如化学反应，来获得能量。

在所有的星球上，

都有很多能够获得能量的方式。

另一方面，

所有的生命都需要食物和营养。

这看起来很难满足，尤其是
如果你想吃一个多汁的番茄。

（笑声）

但是，地球生命所需的全部营养

都只基于六种化学元素，

这些元素在太阳系中

所有的星体上都可以找到。

中间那幅图中的东西

反而是最难得到的。

不是那只鹿，而是水。

（笑声）

虽然那只鹿也很酷。

（笑声）

并且不是固态，也不是气态的水，
而是液态的水。

水是所有生命的前提。

很多太阳系的天体上没有液态水，

所以就可以排除了。

其他的太阳系天体可能有充足的液态水，

甚至比地球上还多，

但是那些水被阻隔在冰盖下面，

因此很难得到并加以利用。

即使那里有生命，我们也很难找到。

所以只需要考虑
剩下的很少几个星球。

让我们进一步简化，

先只考虑星球表面上
存在液态水的问题。

在太阳系中，只有三个星球的表面

可能存在液态水，

按照距离太阳的远近，
他们是：金星、地球、火星。

你需要一个让水保持液态的大气层，

需要非常小心这个大气层，

不能太多，不能太厚，不能太热，

因为如果太热，像金星一样，

就无法保持液态水。

但如果大气太少，太薄或太冷，

结果就像火星，太冷。

所以金星太热，火星太冷，

地球刚刚好。

从我身后的图片，你很容易看出

哪个星球能让生命存活。

这是个“金发姑娘问题”，

即使是小孩子也会明白。

但是，

我想提醒你们，

金发姑娘的故事中，
有两件我们不太在意的事，

在这里却非常关键。

第一：

如果金发姑娘走进房间的时候，

熊妈妈的碗太凉，

是否意味着碗会一直很凉呢？

会不会某一个时间，
它的温度会变得刚刚好呢？

金发姑娘走进房间的时间，

决定了我们能获得什么样的答案。

对于行星是同样的道理，

他们不是一成不变的，他们在改变，

在变化，在发展。

大气层也是一样。

我举个例子，

这是我最喜欢的一张火星的照片，

它的分辨率不算最高，
也不算最漂亮，

也不是最近的照片，

但它展示了火星表面的河床。

这些河床是由流动的液态水，

经过成千上万年的侵蚀所形成。

但如今火星上不会再形成河床了，

现在火星的大气层太薄太冷，

液态水已经无法稳定存在。

这张图显示了火星大气的变化，

并且是巨大的变化。

它从一个我们认为
可居住的状态变化而来，

因为它很久以前呈现出了
那三个生命存活的要素。

那个可以维持液态水的
大气层哪去了？

一种观点是大气逃逸到了太空，

大气粒子获得了脱离星球重力的能量，

逃逸到太空，再也无法回来。

在所有存在大气层的天体上都会发生。

彗星的尾巴，

就是大气逃逸的一种直观表现。

但金星同样有正在逃逸的大气层，

火星和地球也一样，

只是逃逸的程度和规模的问题。

我们希望计算出逃逸的速度，

以解释这种变迁。

大气如何获得逃逸的能量？

粒子是怎么获得足够能量的？

简而言之有两种方式，

第一，太阳光。

太阳发出的光可以被大气粒子吸收

并被加温。

是的，我在跳舞，但它们…

（笑声）

天哪，我结婚那天都没跳过舞。

（笑声）

通过加温，它们获得了冲破星球重力

以逃逸的足够能量。

它们可以获得能量的第二种方式是，
太阳风。

太阳表面会发射出例子、质量、材料，

它们以400千米每秒的速度

在太阳系中冲撞，

有太阳风暴时会更快。

它们在星际空间中，

朝着行星和大气层飞奔，

它们也会为大气粒子
的逃逸提供能量。

我对这个很感兴趣，

因为这会和可居住相关。

我刚才提到金发姑娘故事中

有两个我们需要关注的问题，

第二个问题会更微妙。

如果熊爸爸的碗太烫，

而熊妈妈的碗太凉，

如果按这个规律，

熊宝宝的碗不是应该更凉吗？

这件你一直没怀疑的事，

如果仔细一想，可能没那么简单。

当然，
大气温度取决于行星和太阳的距离，

这也决定了可居住性。

但可能有其他我们需要考虑的事，

可能碗本身，

也可以决定故事的结局，

这恰恰是事实。

我讲一个不太一样的特性，

它可以影响这三个行星的可居住性，

但由于我的一点私心，
因为这是我自己的研究，

并且遥控器在我这儿
而不在你们手里，

（笑声）

我想花一两分钟

聊一下磁场。

地球有磁场，而金星和火星没有。

磁场是从星球的内部产生，

由电荷驱动旋转的流体，

形成了地球周围的
巨大而古老的磁场。

你用指南针可以分辨出哪里是北，

但金星和火星没有磁场，

如果你在金星和火星上用指南针，

恭喜，你迷路了。

（笑声）

这会影响可居住性吗？

会怎么影响？

有些科学家认为
行星的磁场为大气层提供保护，

通过力场效应影响带电粒子，

从而改变太阳风粒子的方向。

我倒喜欢把它比喻成
食品柜台的防喷嚏罩。

（笑声）

是的，我的同事看到这个后，

会发现这是我们圈里有史以来

第一次把太阳风等同成喷嚏口水。

（笑声）

因此，地球可能因为存在磁场，

而被保护了数十亿年，

使得大气层无法逃逸。

然而火星没有受到这样的保护，

因为没有磁场，

经历了数十亿年，

足够的大气层逃逸出去

使得它变成了不可居住的星球，

就是今天我们看到的样子。

其他科学家认为磁场

更像是船上的帆，

让行星可以通过太阳风
获得更多能量，

比星球自己产生的更多。

船帆可能从太阳风中收集能量。

但磁场从太阳风中吸收能量，

会让更多的大气逃逸。

这个想法还有待验证，

但它的影响和原理也是显而易见的。

因为我们知道，

太阳风中的能量会被存储到
地球的大气中。

这些能量随着磁场被导入两极，

形成绚丽无比的极光。

如果你体验过，那真是非常壮丽。

我们知道能量正在源源不断的进入，

我们也试着测量有多少粒子跑出去，

以及磁场是不是在影响这个过程。

所以我刚刚抛给各位一个问题，

但我还没有答案，

我们没有答案，

但我们正在努力。
我们怎么做的呢？

我们往三颗行星都发射了航天器。

有些已经在轨运行了，

包括正围绕火星运行的
MAVEN 航天器，

这个项目由这里的
科罗拉多大学主导，

我也参与了这个项目。

它被设计用来观测大气逃逸，

在金星和地球，
我们也有类似的测量项目。

一旦我们完成测量，

综合分析这些数据，我们就可以了解

这三颗行星是如何与他们的太空环境

以及自身周围的环境相互作用。

我们也可以清楚，
磁场对可居住性是否关键。

一旦我们有了答案，
你们为什么会在意？

我是说，我很在意…

财务上很在意，但也确实很在意…

（笑声）

首先，这个问题的答案

会告诉我们更多关于
这三颗行星的事情，

金星、地球、火星，

不只是它们今天如何与
周边环境互相作用，

更多是几十亿年前的情形，

很久以前它们是否是可居住的。

它会告诉更多关于围绕着我们、

与我们息息相关的大气层的事情。

此外，从这些行星身上学到的经验，

可以用在其他任何星球的大气层。

包括我们正在观测的
其他恒星系的行星，

比如，建造并管理于博尔德的
开普勒望远镜，

近几年一直在观测

一块邮票大小的天空区域，

它已经发现了几千颗行星，

仅仅在一块邮票大小的天空，

和别的区域并没有什么不同。

在这20年里，

我们从对太阳系外的行星一无所知，

到目前我们知道这么多，

以至于我们不知道该从哪一个下手。

每一条线索都很重要。

事实上，从开普勒的观测

以及其他类似的观测中，

我们目前相信，

仅在银河系的2000亿颗恒星中，

通常每颗恒星都至少有一颗行星。

除此之外，

这些行星中，
据估算有400亿至1000亿颗

可以被定义为可居住的，

这仅仅是在我们的银河系。

我们在观察这些行星，

但我们还不知道哪些是适合居住的。

就像被困在这个红点上一样，

（笑声）

在台上，

并且知道这外面有其他的世界，

拼命想要了解它们，

想调查并找到是否有那么一两个

和你有点像。

但你做不到，
你还无法到达那里。

所以你只能用你身边的工具，

金星，地球，火星，

用他们来推演其他的情况，

并祈祷你正在做有意义的尝试，

你将可以做出最佳的判断，

关于哪些星球可居住，哪些不可以。

最终，至少是目前，

这是我们的红点，就在这里。

这是我们唯一知道的宜居的星球，

虽然可能很快就会发现还有其他的。

但目前，这是唯一宜居的星球，

这是我们的红点。

我很高兴我们在这里。

谢谢。

（掌声）