数学问题100种（用数学探索地外生命）

【环球科技综合报道】据国外媒体报道,美国哥伦比亚大学的天体生物学家凯勒布·沙夫和英国格拉斯哥大学的天体化学家勒罗伊·克罗宁近日共同提出一个数学公式,他们希望该公式能帮助科学家识别出能够孕育生命的星球。

公式中的Nb代表星球上生命所需化学元素的总数量,No代表构成一个生命体所需的化学元素数量,Fc则代表在t时刻,这些元素的可利用程度。沙夫指出:“该公式背后的理念是,虽然我们一直在说某颗行星‘宜居’或者‘不宜居’,但我们实际的意思是说这颗行星是否能‘维持’生命,而不是能否‘诞生’生命,显然后者要复杂得多,也神秘得多。”“我们提出这个公式的目的不仅是为了解开这个谜题,还为了帮助我们从行星的特性角度出发,思考生命诞生的原理。”

这两名科学家表示,通过寻找一系列的条件和化学成分,他们可以利用这些非生命物质计算出某个星球上能够出现生命的几率。在这些条件中,最关键的便是一个星球上“生命组件”的数量,也就是构成一切生命体的功能性化学成分的数量。他们宣称,提出这个公式的目的不仅是为了解开地外生命是否存在这个谜题,还为了帮助人们从行星的特性角度出发,思考生命诞生的原理。

他们的研究工作以“德雷克方程”(Drake Equation)为基础。德雷克公式由美国无线电天文学家弗兰克·德雷克于1961年正式提出,对银河系中可能存在的地外智慧生命(俗称“外星人”)数量进行了估计。

德雷克方程为:N=R*×fp×ne×fl×fi×fc×L。它一共有七个变量。其中N是银河系中的文明数量,R*是每年银河系中诞生的恒星数,fp是拥有行星的恒星比率,ne是行星系中的类地行星平均数,fl是类地行星中具有生命的行星比率,fi是演化出智慧生命的比率,fc是智慧生命能够进行通讯的比率,L是通讯文明的平均生命。美国天文学家、科普作家卡尔·萨根估计,依据德雷克方程,存在智慧生命的星球数量应该为100万颗;美国科幻作家艾萨克·阿西莫夫则认为,这样的星球应有67万颗;而德雷克本人较为保守的估计为10万颗。

2013年5月,美国麻省理工学院天文学家萨拉·西格根据开普勒望远镜发现成果提出改进德雷克方程,可揭示银河系庞大红矮星周围的宇宙文明。开普勒望远镜自2009年5月发射后,已经发现1284颗行星,其中有9颗位于“宜居带”。德雷克方程从简单的数学概率等式走向了实证之路,从而使天体生物学成为大有作为的新兴科学。

然而,美国天文学家亚当·弗兰克表示,“关于宇宙其他地方是否存在先进技术文明的问题常常受到德雷克方程中三大参数不确定性的困扰。”他说:“长期以来我们对于恒星的大致数量早就心里有数。但我们不清楚那些恒星之中有多少周围存在拥有宜居环境的行星;其次,我们也不知道生命在这些行星上进化并最终产生智慧生命的几率有多高;最后,我们不清楚这样一些智慧生命一旦出现,将能够持续存在多久。”

如果宇宙其他地方存在先进技术文明,那么人类应该用什么工具与它进行交际?科学家早就开始了相关探讨;一些科学家想到,应该设计一种“宇宙语言”。早在1896年,英国数学家、人类学家弗朗西斯·哥尔登就指出,数学是文明的核心,如果能用数学方法表达语言,是最容易被地外智慧生命接受的。萨根深信,宇宙中的技术文明无论差异多大,都有一种共同的语言——数学语言。中国数学家、语言学家周海中在《宇宙语言:设计、发送与监听》一文中指出,数学语言具有明确性、单义性、紧凑性、普适性、可观察性等优点,是地球文明与地外文明最理想的交际工具。因此,数学语言就成了人类首选的宇宙语言。

值得一提的是,荷兰数学家、天文学家汉斯·弗罗登塞尔出版了一本名为《宇宙语:一种为宇宙间沟通而设计的语言》的专著;他设计了一种以数学为基础的宇宙语言“Lincos”。该语言有一整套的规则和代码,用数学及逻辑的方法来构造语句,并且靠发射不同波长的无线电波来表示不同的意思。例如,可以用短的无线电波信号代表数字,长的无线电波信号代表加减符号,利用它们之间的不同组合来表示不同的含义。

此外,英国计算机专家约翰•艾略特认为,数学算法能够理解地球上的各种语言,因此我们有一天可以使用该体系来解码地外智慧生命的信息,如果我们有一天收到了外星文明的信号,就有办法翻译出其中的意思。

然而,印度科学家森达·萨勒凯质疑,地球人的数学与地外文明的数学也许存在很大差异,相同的数学算数基础不一定衍生出相同或相似的高级数学。

有趣的是,西班牙巴塞罗那大学的宇宙学家费格斯·辛普森最近利用数学模型推算出,如果地外智慧生命存在,它们可能和熊一样大,体重可能重达314公斤。他使用的模型是基于贝叶斯理论和贝叶斯统计学。不过有研究人员认为辛普森的推算有误,因为地外智慧生命的块头与基本生理特征和地外行星大小等因素有关。(许杰/编译)