行星維持生命存在的要素

「金星太熱，火星太冷，地球剛剛好。」行星科學家戴維．布萊因如是說。但是為什麼？布萊因在這場風趣幽默的演講中，探索行星要維持生命存在所需的幾項有趣科學，並且談到在行星維持生命的時間軸上，為什麼人類可能只是恰好在天時、地利、人和的情況下在地球上生活。

我真的很高興能來這裡。

我也很高興你們能來這裡，

要不然會有點奇怪。

我很高興我們都在這裡。

我說的「這裡」，不是現場這裡。

或這裡。

卻是這裡。

我指的是地球。

而且我說的「我們」，
不是這座大禮堂裡的各位，

而是生命，

地球上所有的生命──

（笑聲）

從複合體到單細胞，

從黴菌到蘑菇，

到飛天熊都是。

（笑聲）

有趣的是，

地球是我們知道
唯一有生命的地方──

八百七十萬種生物。

我們找過其它地方，

可能找得還不夠勤快，

但是我們找過，
沒有發現任何生物。

地球是我們所知唯一有生命的地方。

地球得天獨厚嗎？

這個問題的答案

我從小時候就想知道，

而且我猜禮堂裡八成的人

都想過同樣的事，也想知道答案。

要知道是否有別的行星──

無論是在我們的太陽系
還是其它地方──

能支持生命，

第一步要了解在這裡
生命的要素是什麼。

事實證明，
這八百七十萬種物種

只需要三件事就能維持生命。

那邊那張照片，
地球上所有的生命都要能量，

像我們這樣的複合生物體
要從太陽取得能量，

地下深處的生物

則從化學反應取得能量。

地球上有很多種能量來源

可供大家使用。

另外那一邊照片，

所有的生命都需要食物或營養。

這聽起來像是無理的要求，
尤其在你想要一顆多汁的番茄時。

（笑聲）
（譯註：一般超市的番茄都很乾）

然而，地球上所有的生命

只要六種化學元素就能取得營養，

而這些元素可在

我們的太陽系中
每一個行星體上找到。

所以這讓中間這項成了高不可及、

很難拿到的東西。

不是麋鹿，是水。

（笑聲）

雖然麋鹿也滿酷的。

（笑聲）

不是冰凍的水，也不是氣狀的水，
而是液態水。

這是生命要生存都需要的東西。
所有的生命。

許多太陽系沒有液態水，

所以我們不去那裡找。

有些太陽系可能有大量液態水，

甚至可能多過地球，

但是都困在冰層底下，

所以很難拿到，很難接近，

甚至很難發現那裡到底有沒有生命。

這樣只剩下幾座星體我們應該考慮。

所以我們來為自己簡化一下問題。

我們只要想想
在星球表面的液態水就好。

這樣我們的太陽系裡
只剩三座星體可想，

考慮行星表面是否有液態水，

與太陽的距離依次是
金星、地球及火星。

你要有大氣層使水能維持液態。

你必須非常小心考慮大氣層。

你不能有太大的大氣層，
太厚或太溫暖都不行，

因為這樣會像金星一樣太熱，

而且沒有液態水。

但是如果你的大氣層太少，
而且太薄太冷，

結果就會像火星一樣太冷。

所以金星太熱，火星太冷，

地球則是剛剛好。

看看我後面的照片，你自然會看到

我們的太陽系
哪裡有生命可以存活。

這是典型的
《金髮女孩與三隻熊》問題，

而且這太簡單了，小孩都能理解。

然而，

我要提醒各位兩件事，

是《金髮女孩與三隻熊》故事中，
常常被我們忽略

但我認為非常切題的事。

第一：

金髮女孩走進屋時，
如果熊媽媽碗裡的粥太冷，

那是指粥早就冷了？

還是曾有剛剛好的時間？

金髮女孩走進屋的時間決定了

故事的答案。

行星也一樣。

行星不是靜態的東西。
它們一直在改變。

它們變化，它們演化。

大氣層也一樣。

我舉一個例子。

這是我很愛的一張火星照片。

這既非最高解析度，也並非最美，

更不是最新的照片，

但這張照片顯示河床切過行星表面；

被流動、液態水切割出的河床；

河床要上百、上千
甚至上萬年才能形成。

現在的火星不可能發生這件事。

現在的火星大氣層太薄太冷，

水因而不能維持液態。

這一張照片告訴我們
火星的大氣改變了，

而且改變很大。

它從我們定義的適居狀態
變成現在的樣子，

因為生命三大要素
在很久以前曾經出現過。

本來能讓水在地表
維持液態的大氣去了哪裡？

嗯，有人說它逃逸到宇宙。

大氣粒子有足夠的能量

逃脫此行星的重力，

散逸到太空，一去不返。

這種現象在有大氣的
星體上都會發生。

彗星的尾巴

正是大氣逃逸絕佳的視覺提醒。

但是金星的大氣也會隨時間逃逸，

火星及地球也一樣。

這只是程度及規模的問題。

所以我們要找出逃逸的速率，

才能解釋這種轉變。

大氣怎麼得到逃逸所需的能量？

粒子怎麼得到足以逃逸的能量？

如果我們簡化一下來看，
有兩種方式。

第一，陽光。

從太陽射出的光被大氣粒子吸收，

使粒子增溫。

是，我是在跳舞，不過它們──

（笑聲）

天啊，我在自己的婚禮上都沒跳。

（笑聲）

它們得到足夠的能量逃逸

並掙脫重力，
這一切只要增溫就夠了。

得到能量的第二種方法是太陽風。

這些是從太陽表面噴出的
粒子、團塊及物質，

而且它們在太陽系裡

以每秒 400 公里的速率呼嘯而過，

在太陽風暴期間有時候還更快，

而且它們飛馳通過行星際空間，

朝著行星及其大氣飛去，

因而它們也可以提供能量

讓大氣粒子逃逸。

這就是我感興趣的東西，

因為這跟適居性有關。

我曾說過金髮女孩的故事中有兩件事

我要你們注意並提醒你們一下，

第二件事更微妙一點。

如果熊爸爸碗裡的粥太燙了，

而熊媽媽的粥太冷了，

那熊寶寶的粥不就應該更冷了，

如果我們順著趨勢想？

你一輩子都沒懷疑過的這件事，

仔細一想後可能沒那麼簡單。

當然，行星的溫度取決於
它與太陽的距離。

這就與適居性有關。

但是我們可能還必須考慮其它事。

可能碗本身

也會決定這個故事的結局，

也就是「剛剛好」的問題。

我可以跟大家講很多

這三個行星不同的特性，

這些特性可能也會影響適居性，

但是我有私心，
因為那跟我的研究有關係，

而且站在這裡拿著遙控器的是我，
不是你們──

（笑聲）

所以我只跟你們講一兩分鐘就好，

來談一下磁場。

地球有磁場；金星及火星沒有。

磁場在行星內部深處產生，

由導電的液態物質環繞流動

而產生這個環繞地球的
巨大古老磁場。

如果你有羅盤，
你會知道哪邊是北邊。

金星與火星沒有這個。

如果你在金星及火星上用羅盤，

恭喜喔！你迷路了。

（笑聲）

這會影響適居性嗎？

又怎麼影響？

許多科學家認為行星的磁場

就像大氣層的防護罩，

使在行星四周的太陽風粒子偏轉，

有點像（星際爭霸戰）
力場防護罩效應，

因為跟這些粒子的電荷有關。

我喜歡把它比喻為沙拉吧上面
擋噴嚏的防護罩。

（笑聲）

是的，以後看這片的同僚會發現，

這是史上頭一遭有人在我們這行

把太陽風等同為黏液。

（笑聲）

好吧，所以這個效應，
就是地球可以受到保護

幾十億年，

因為我們有磁場。

大氣至今無法逃脫。

另一方面，火星沒有受到保護，

因為它沒有磁場，

所以幾十億年來，

可能已經揭掉了夠多的大氣，

使這個原本適居的行星轉變為

今天我們看到的樣子。

其他科學家認為磁場的

作用可能更像船上的帆，

讓行星能與太陽風的能量
產生更多交互作用，

比自身的交互作用還要更多。

帆可以聚集風的能量。

磁場可以聚集太陽風的能量，

讓更多大氣逃逸。

這個理論還需要證明，

但是其影響及作用方式

看起來很明顯。

那是因為我們知道

太陽風的能量會注入

地球上的大氣層。

那股能量順著磁力線傳導，

向下導入兩極，

產生炫麗無比的極光。

如果你曾看過極光，那真是壯麗！

我們知道能量進來了。

我們試著測量有多少粒子跑出去，

還有磁場是否
以任何方式影響這一點。

所以我丟了一個問題給各位，

但是我還沒有答案。

我們沒有解答。

但是我們正在找。
怎麼找呢？

嗯，我們送了幾艘太空船
到這三個行星上。

有些已經在軌道上環繞了，

包括目前正在環繞火星的 MAVEN
（火星大氣與揮發物演化任務）太空船，

我有參與這項計畫，

而且由此地的科羅拉多大學領導。

我們用它測量大氣逃逸。

我們對金星及地球也做了
類似的測量。

一旦我們收及到所有的測量數據，

我們就能把這些綜合起來，
我們就能了解

這三個行星如何與太空環境，

與它們周邊的環境交互作用，

我們就能決定磁場
對適居性的重要與否。

一旦我們有了答案，
我們為什麼要在意？

我是說，我很在意──

財務上我也很在意啦！
不過真的很在意。

（笑聲）

首先，這個問題的答案

會教我們更多這三個行星的事，

金星、地球及火星，

不只是它們如何
與現今的環境交互作用，

還有幾十億以前的交互作用，

很久以前的適居性如何。

它會教我們很多

環繞及靠近我們的大氣層的事。

此外，我們從這幾個行星學到的，

可以應用到別處的大氣層，

包括我們正在觀察的幾個行星，
它們環繞著其它恆星。

舉個例子，克卜勒太空望遠鏡，

就在波德這裡建造並控制，

已經觀察了郵票大小的天空

好幾年了，

它發現了數千個行星──

就在郵票大小的一小片天空中，

這片天跟其它部分的天空
沒什麼不同。

在 20 年內，我們從以為

太陽系以外沒有行星，

到現在我們知道有這麼多，

甚至不知道該從哪一個
開始調查起。

任何方法都有幫助。

其實，從克卜勒太空望遠鏡

及其它類似的觀測所發現的來看，

我們現在相信

光是在我們銀河系的
二千億顆星星裡，

每顆星平均都至少有一個行星。

除此之外，

估計這些行星中
還有約四百億到一千億顆，

我們可以定義為適居，

僅僅在我們的銀河！

我們有這些行星的觀測，

但是我們還不知道
哪一個是適合居住的。

這就跟困在 TED
這塊紅地毯上一樣，

（笑聲）

在舞台上，

你知道還有其它的世界存在，

極度想要更了解他們，

想調查並找出是不是有一兩個

和自己有點像。

你做不了這件事，
你去不了那裡，還不行。

所以你必須使用你手邊

為了金星、地球及火星
而發展的工具，

還必須將它們應用在
這些不同的狀況下，

希望自己能從數據做出合理的推斷，

希望自己能選出最好的

適居行星，還要找出不合適的。

最終，至少目前，

這是我們的紅地毯，就在這裡。

這是目前我們所知唯一適居的行星，

雖然我們可能很快就會發現
還有其它的。

但是目前，這是唯一適居的行星，

這就是我們的紅地毯。

我真的很高興我們都在這裡。

謝謝。

（掌聲）