我们延伸了哥白尼的工作

「我们证明了地球只不过是众多行星中的一个,而每一个行星都是不一样的。」

瑞士天文学家迪迪埃・奎洛兹(Didier Queloz)与他的导师米歇尔・麦耶(Michel Mayor)在 1995 年共同发现了首颗围绕着类似于太阳的恒星运转的太阳系外行星——距离地球大约 51 光年的「飞马座 51 b」(51 Pegasi b)。这个发现改变了人类对于宇宙的认识,也开创了一个全新的宇宙学研究领域。在 2019 年,奎洛兹与导师麦耶,以及宇宙学家吉姆・皮布尔斯(James Peebles)共同获得了诺贝尔物理学奖。

从 1995 年至今,人类在行星科学领域有了哪些进展?对于宇宙中生命形式的可能性有哪些认识?该如何做出「诺贝尔奖级」的发现?获得诺贝尔奖对于一个科学家来说,又会有怎样的影响?对这些问题,目前在剑桥大学任职的奎洛兹通过视频接受了本刊专访。

发现「飞马座 51 b」是一个意外

首先要说一声迟到的祝贺。在 2019 年 10 月,瑞典皇家科学院宣布你获得诺贝尔物理学奖的时候,我就在皇家科学院里亲眼见证了这个时刻。所以第一个问题也和诺贝尔奖有关,作为第一位获得诺贝尔奖的行星科学家,之前你想到过自己会因此获奖吗?

谢谢!当我们宣布做出了这个发现(在 1995 年发现行星「飞马座 51 b」)之后,我的很多朋友的第一反应都是我将会因此获得诺贝尔奖。我自己也意识到这是一个重大的发现,但并不确定这是「诺贝尔奖级别」的发现,我们也绝没有想到这个发现开启了一个全新的物理学研究领域。所以一切都照常进行。后来我们才意识到,这个发现只算是冰山一角(在宇宙中还存在着众多的行星)。

当我得知自己获奖时并没有特别吃惊,因为我知道在这之前自己已经几次被提名过了。但是毕竟这已经距离我们做出发现过去了将近 30 年时间。这些年来,最开始我非常期待获奖,每年都非常焦急地等待。后来我认为这种状态很荒唐,所以我就放弃了对诺贝尔奖的期待,完全忘记了这回事。当我真正获奖时,我确实完全没有在意。我当时正在开会,甚至不知道诺贝尔物理学奖是在哪一天宣布。但在得知自己真正获奖那一刻还是感到非常意外,毕竟优秀的物理学家太多了,奖却只有一个。世界上有很多杰出的发现并没有获得诺贝尔奖。时间、机遇、所在的科学团体等等,有很多因素决定着你究竟能不能获得诺贝尔奖。

现在,诺贝尔奖得主的身份对我有了极大的帮助,我有机会和不同领域的专家进行交流,并向他们解释。我们现在已经可以成规模地发现系外行星,但是我决定把自己的研究转向地外生命研究。我可能永远都得不到答案,因为这个课题难度太大了。但是我仍然可以为此做出一些积极的改变,因为我可以为这个研究领域的未来做一些准备。希望我可以再一次创造出一个全新的研究领域——关于生命。

在 1995 年发现行星「飞马座 51 b」被称为「系外行星研究的革命」。你能介绍一下这个领域在「革命」发生前的状态吗?

有两个原因让这个发现被称为「革命」。第一,在此之前人们已经花了很长时间去寻找太阳系外行星了,并且有了很多关于发现系外行星的虚假消息。从 20 世纪 30 年代开始,就不断有人声明发现了系外行星。这也就使人非常小心,因为在这个领域非常容易犯错。与此同时,人们又非常渴望探测到系外行星。因为在恒星形成的过程中,在恒星周围会有材料的剩余,人们观察到了星盘的存在,在其周围会形成行星。

当时人们认为肯定有太阳系外行星存在,但是一直没有人做出肯定发现。直到我们做出了第一个发现,确定了那颗行星就在那里,这在当时是一个非常令人震惊的消息。在科学中你发现了一个,就意味着很可能存在着很多个。所以说这不只是一个发现,而是一场革命。

我们发现的这颗行星,并「不应该」存在,可以说它是一颗「不可能」的行星。因为在当时我们无法理解这颗行星的形成过程。(当时人们认为)在距离恒星这么近的距离不可能形成一颗类似于木星的行星,只有在距离恒星更远的距离才有可能——这是我们通过对太阳系的研究得出的理解。

关于行星的形成,我们做过很多模拟,也有很多理论,结果我们发现了一颗没人能够理解的行星。因此,这也逐渐成为一场革命。我的同事开始意识到还存在很多类似的行星。随着不断发现,人们也就不断地感到惊讶。到了现在我们才明白,大多数围绕着恒星运转的行星,都与太阳系中的行星大不相同。

地球才是稀有的。我们至今也没能发现与地球类似的行星。我们当然相信有一部分行星与地球类似,但是在这一部分当中也是各式各样的,(行星的类型)远比我们之前想象的丰富。我们所做的与哥白尼在 15 世纪所做的非常相似。就像是哥白尼说,其实不是太阳围绕着地球运转,而是地球围绕着太阳运转!我们证明了地球只不过是众多行星中的一个,而每一个行星都是不一样的。从这一点来说,我们延伸了哥白尼的工作。我想这也正是诺贝尔委员会所认可的工作——我们证明了太阳系行星只是众多的行星系统中的一种而已。

随后,我们可以观察自己,想一想该怎样才能制造一个和我们相似的行星系统,是不是必须有一个与我们的行星系统相似的系统才能够拥有生命?我想这个问题与宇宙的形成一样重要,这是关于宇宙中生命起源的想象。

有一个关于你个人的问题。在 1995 年时你还是一个博士生,而且你说过当时你还有半年左右的时间就要毕业了,在当时为什么要选择这么一个看起来没有希望的博士课题?

实际上这(寻找系外行星)不是我的博士课题。我的课题是建造一个新的机器,并且试着用这个新机器进行科学研究,但绝没有想到能够用它来寻找行星。当时我的导师因为学术休假离开了,他把实验室的钥匙留给我,让我试着做一些工作,而我也需要更多的数据来解释我的工作。六个月后我的导师回来,我告诉他,我觉得自己意外地发现了一颗系外行星。

实际上,当时看着自己的观测数据,连我自己都感到难以置信,一开始我觉得一定是什么地方出错了。但我越是仔细研究数据,就越相信发现了一颗行星。我对这个发现感到有些害怕,我不想让自己难堪,也不想让自己的博士课题成为一个灾难。所以直到我完全肯定之后,才决定告诉我的导师。

你建造的就是那台叫「ELODIE」的设备?

是的。实际上 ELODIE 是普罗旺斯天文台的工程师们建造的,而我是通过软件来操作它的科学家。把这个设备设置好,让它可以进行工作,可以和一个非常复杂的数据处理软件共同运行,是我博士课题的一个重要部分,这在当时属于一种全新的技术。在当时出现了很多新技术,比如感光耦合组件(CCD)、微型计算机、光纤……我们希望在这台设备上使用新技术。而作为一个博士生,我的工作就是用这个设备探索各种新技术的应用。当时有好几个科学项目使用这台设备,寻找系外行星是其中之一。但我的目的只是让项目开始,而非真正发现一颗系外行星。

所以说发现「飞马座 51 b」完全是一个意外。

我认为意外也是成功的一部分。如果不是我那样沉迷于挖掘和分析数据,就不会那么快地发现「飞马座 51 b」。当时我在做我的博士课题,我必须极度认真,不能失败。有时候我会想,如果是在一个很大的组里面,有很多人在使用这台设备,虽然最终会发现这颗行星,但是不会像我这样快,因为我当时完全沉浸其中了。最终的结果是,虽然相比于其他几个组,我们晚了好几年,但却是第一个做出了发现。所以我认为,我们成功的理由恰恰是因为我是个完全沉迷其中的博士生。

作为一个科学家,最富有创造力的时间,就是在年轻时。当人逐渐变老,人的知识会增加,会更有智慧、更冷静,可以做更重要的决定,拿到更多的资助,但是创造力却是在人年轻时最为充沛的。人在年轻时,一切都没有限制,很多事情还不了解,因此也就不知道害怕,因此会相信一切都是可能的——这就是年轻的特权。

你看这些诺贝尔奖得主,大都是老年人前去领奖。但如果看看他们是什么时候做出最重要的发现,你会意识到,他们大多是在 30 多岁时做出了最重要的发现。对于数学家来说,可能还会更年轻一些。所以对我来说,(发现「飞马座 51 b」)并不算是一个惊喜,而只是我沉迷于分析数据的故事的一部分而已。

什么是「宇宙生命」?

从你在剑桥大学的主页上看,现在你的研究并不仅限于寻找系外行星,而且也包括寻找生命现象。

是的,这是我在剑桥的新研究项目。现在我对于寻找和地球类似的行星非常着迷,这是发现生命形式的一个必经之路。

我的重点在于获得新的实验设备。你可能听说过类地行星搜寻实验(The Terra Hunting Experiment),那是一个全新的项目。我们为此设计了非常精确的、最先进的光谱仪「HARPS3 instrument」。我们用它长时间地观测少数几颗恒星,因为发现小型行星的关键就在于对恒星进行长时间的观测。我还打算接管一台太空望远镜,起码要能够使用一台望远镜一半的时间。我仍然在寻找系外行星,但这是为了寻找生命形式。

另外,我和我的朋友合作,在几年前开始通过凌星行星及原行星小望远镜(TRAPPIST)寻找行星。利用属于日内瓦大学的旧设备,我们建立了 TRAPPIST 观测台,并且取得了非常好的视野。所以我们希望继续观察小恒星,试着发现在其前面经过的类似于地球的行星。我们希望在未来的 15 到 20 年间能够通过这种方法对这些行星的大气层有所研究。

理解行星的大气层是最重要的。如果想要寻找生命,想要了解行星的地质学,就必须首先了解它的大气层。更重要的项目是在未来对这些行星进行直接成像。我正在和美国、欧洲的一些学者进行合作,希望在未来也能够和中国进行合作,因为中国对于太空探索有很浓厚的兴趣。这并不限于中国对于火星的探索,我也希望中国开始建造先进的太空望远镜,因为并没有太多的国家拥有这样的先进技术。

我希望能做出一些难度更大的尝试。正是因为我获得了诺贝尔奖,所以我可以去做这样的尝试。因为我不需要一定成功,我已经成功过了,所以我可以尝试失败,并且帮助未来的科学家进行研究。科学就是一代又一代科学家进行尝试的故事。在科学中,如果一个人已经取得了成功,例如我,那么他就必须懂得回报。回报的方法就是帮助年轻科学家开展新的科学项目,帮助他们在一起工作,寻找生命的起源。这也是让我依然有意义的一种方式。

你在剑桥大学网页上的介绍用到了「宇宙生命」(universal life)一词,能解释一下这个词的意思吗?

所谓「宇宙生命」,指的是我们并不只关心地球上的生命,我们认为生命形式在宇宙中是一种普遍的存在。在宇宙中应该充满生命,把它们综合在一起,就是所谓的「宇宙生命」了。也可以说这是宇宙中一个更为普遍的生命形式。但这是一个非常困难的问题,因为研究我们已知的非常容易,要研究未知的(生命)就很困难了。所以我们必须保持开放的心态。

我们只能从已知的地方开始,只能基于我们理解的生命开始研究,这是我们的底线。但是这样的底线并没有阻止我们拥有开放的心态,并且发问,如果生命的形式是(与地球生命形式)完全不同的,要如何认识生命?如果宇宙生命与地球生命非常不同,那么我们还能否创造生命?我们要如何展开研究?这正是我们必须要非常小心的地方,不要只沉迷于对地球生命的思考。

这也需要我们与天体生物学(Astrobiology)分离开。天体生物学认为所有生命形式都与地球生命类似,然后再把生命放入到极限环境之中。我想我们不应该从生物学的角度去考虑问题,因为当你需要生物学的时候,很可能已经太晚了——已经有生命存在了。

通过生命研究生命,这是非常有趣的,我完全不反对。但是我的想法是研究如何产生生命,生命究竟是什么——这就完全是另外一个问题了。因此我才使用了「宇宙」(universal)一词。因为你必须要考虑到(行星的)地质物理学、可能发生的化学反应、在当地可以选择的物质,还有当生命形式产生之后对行星造成的影响等。

所以说生命究竟是一种行星现象,还是一种(更普遍的)宇宙现象?在我们已知的行星上做出一丁点改变,行星的环境就会完全不同;构成行星的物质不同,大气层不同,会不会产生出不同的生命形式?我们希望离开传统的研究思路。我并不期待发现外星人,或是像搜寻地外文明计划(SETI)一样(寻找高度智慧的外星生命)。我们寻找的是一种更加普遍的现象。

在我的诺贝尔讲座(Nobel Lecture)上,我开玩笑说,所谓生命,就是当化学开始控制它自己的时候。当我们发现有一种化学反应开始进行,那时就已经太晚了。化学反应是自发产生的,你无能为力。当化学反应可以从外界获取材料进行处理,那么这就已经是生命形式了。生命就是一种可以进行处理的机器,它有其自身的逻辑。

生命并不需要直接的化学反应,而是需要能够在附近发现有用的材料。生命形式所需要的材料越是基础,也就说明生命越发达。所有的生命形式都非常高效。我们(人类)一直在消化,我们一直在获取一些非常基础的材料——可能除了维生素,人类无法自己合成维生素——人类需要的其他物质都是非常基础的,我们可以自己合成所需要的物质。所以说生命是一种非常强大的机器。但在生命的开始阶段不会是这样的,它们需要一些已经存在的非常复杂的物质。但生命越是独立(于复杂的物质),就越是能够发展和进化。所以我才用了「宇宙」这个词(以表达生命的普遍规律)。

说到底,你如何定义生命?

我们不想去定义生命。因为当你对什么有所定义时,也就代表了你对它有所预设。我们现在想要做的事情是,对生命进行「逆向工程」(reverse engineering),研究生命最初的形态。我们想要理解的是,通过我所拥有的材料,怎样才能制造出生命?我能够把已知的生命形式和什么联系起来?这就像是乐高游戏一样,把不同的部件连接起来。想要做这样的工作,就必须在行星的土壤里进行。那么你都需要些什么?对这颗行星有什么要求?需要怎么样的岩石、土壤,怎么样的化学反应,怎么样的大气层、输送条件?这样就有了可以研究的对象,拥有了一个全球性系统。如果把生命因素也加入进去,它就会和全球系统相互作用,对全球系统做出改变。我们的想法就是发现这样的改变。

生命形式必须有某些化学物质,还有一些可以获得的必要成分。我们可以通过对原行星盘(Protoplanetary disk)的观测判断行星中有哪些物质,预测在行星上可能发生的一些化学反应,预测一些物质在行星的位置,比如说在行星表面或是海底、湖水或河水里等。可以把火星作为一个验证手段,因为火星和地球的初始环境非常相似。然后就可以对行星的环境进行模拟,试着复制更多行星的环境。我们希望通过我们已知的,对生命进行逆向工程,但是不作任何定义。因为对生命进行定义像是神学才会做的事情:对生命进行限制。

寻找下一个「地球」

在 2019 年,你预测人类将在 30 年内发现地外生命。现在你的观点是否有所改变?

我仍然相信,因为在科学中充满了惊讶。我们可以对事情做出安排,比如我们可以计划建造高精度的太空望远镜等等,这可能需要多于 30 年的时间。但是科学从来不等待,因为科学家们会不断地进行探测,会在不同的科学项目里通过不同的手段对不同的行星进行探测。所以说,未知要远远大于已知。从这个角度来说,30 年已经超出了任何科学家可以预期的时间,没有人知道在 30 年里科学会发生怎样的进步,甚至不知道人类社会在 30 年后是否仍然存在,因为人类是非常疯狂的,可能会自我毁灭。

正因为如此,我才设定了 30 年,这是一段非常长的时间。惊喜随时可能到来,也许明天就会有所发现。我们应该做好准备,因为在很多的国家有很多实验室,科学家正在寻找。我们已经取得了一些进展,具有了足够的化学知识和天文学知识,也有先进的太空望远镜……人类是一种很了不起的物种,我们也在期待着了不起的发现。

大多数的系外行星都距离地球有数十光年,比如说「飞马座 51 b」距离地球 51 光年。那么究竟要做出什么发现,才算是发现了地外生命的确定信号呢?

这是一个很好的问题。说实话,我认为我们并不会一下子发现非常切实的证据,因为任何证据总是会有模糊性的。我们只会不断加深对某一方面的理解。所以说除非我们发现了一颗行星,它在各方面都和地球完全一样,我们会说那是另外一个地球,在上面肯定有生命存在。除此之外,发现生命就会非常困难了。

我们所依靠的是统计学。因为有如此之多的恒星,我们并不会建立起一个非常清晰的图像,例如直接在某个行星上发现动物,而是寻找只在某些行星上可见的特征。我们需要逐渐建立起一幅关于宇宙中行星生命的画卷。这种画卷在一开始非常模糊,很难辨认,但在积攒了足够的细节之后,人们就可以在其中有所发现。我想这才是我们寻找宇宙生命的方式。当我们有了更先进的仪器,在未来 20 年到 30 年里我们会集中观测某些恒星周围的行星。

这样的图景很美妙。我们目前发现,类似于地球的行星非常稀少。我会发现与地球类似的行星,但是没有发现大气成分与地球一致的行星。这就是一个很有意思的问题,地球如何获得了现在的大气成分?地球是如何演变成了今天这样的状态?我们需要逐渐获得答案。这与我们对于太阳系的研究有很大不同,因为我们真的可以到达太阳系的天体,不光是火星。我想我们也必须返回金星,因为在金星还有很多的谜团。我们也希望能够探索太阳系中巨大行星的卫星,比如木卫二(Europa)和土卫二(Enceladus)。我们必须去探索它们,而且肯定会去探索它们。我们还可以利用机器人,把这些天体的样本带回地球。这些事情早晚会实现,而且用不了太久的时间。

我们永远都去不了那些系外行星,但是我们仍然可以做很多事情,比如用卫星进行遥感探测。我经常和一个生化学家朋友聊天,他对我说,他只有一种生命(地球生命)可以研究,而且将会研究它的每一个细节。而我告诉他,我会以非常粗略的方式研究上百万种的生命形式。综合起来,我们研究的是同一个对象,彼此必须吻合。我们必须在其中发现普遍规律。这正是面对同一个问题的两种方法,这也是我对这个领域发展前景的看法。天文学家研究上百万种宇宙生命,一开始我们并不知道其中的规律,但是规律会逐渐显现出来。

我认为这正是这个领域的迷人之处。科学交流就在于科学家之间相互交换理念。对我来说,我不仅是在和相同领域的科学家一起工作,也是在和不同领域的科学家一起工作。我们希望相互学习,建立起一个共通的知识体系。

你已经发现和研究了很多的系外行星。那么你认为太阳系最独特之处在于什么?

这个问题也很令人困扰,因为看上去太阳系是独一无二的。但我想太阳系并非独一无二,只不过我们还没有发现类似的星系而已。我们发现过与地球的质量相似的行星,与地球大小相似的行星,也发现过与木星类似的行星,但是还没发现过距离恒星和地球与太阳距离一样的行星。我们知道一定存在这样的行星,现在有了新的技术、新的仪器,一定会发现与地球类似的行星。

人类是一个充满好奇心又危险的物种

你并不信仰宗教,但是你说「科学从宗教那里继承了很多东西」。能够说一下你所理解的科学和宗教的关系吗?

人类是一个充满好奇心的物种,而人类又面对很多的谜团。想象一下,在一万年前,人类看到那么多的自然场景,面对那么多的谜团,一切都显得非常神奇。人类对此的理解,就是我们生活在一个神奇的世界里。这和现在也有相似之处。很多小孩子就相信自己生活在神奇的魔法世界里,充满了各种想象。实际上人类非常善于想象。拥有想象力是充满创造力的一种代价,我们拥有一种能够「看到」并不存在的事物的能力。对我来说,这就是宗教存在的原因。

宗教的作用在于帮助人们找到一个框架,帮助人们在其中生活。我认为这并没有什么不好,也可能帮助人们生活得更好。生活本身可能会非常艰难。人每天的生活都要经历很多困难,还有很多情感上的因素等,人们对此当然会有很多不合理的理解。直到多年前,在希腊的小岛上,人们开始用理性思考。人们认识到,在所看到和感受的事物后面,一定还有某些更重要的真实。这种思维方式才产生了现代科学的源头。这也需要一些技巧,因为人类的感知能力非常有限。但是当我们发展出了器具,加上数学能力,就能够继续向前,提高逻辑能力,理解抽象事物,不断扩展大脑中的认知。但是在一切的源头,我想人们都是相信所谓魔法的。我们都习惯于面对未知事物,而在其中也蕴含着创造力。这就是我所说的「继承」。

你认为人类是否有一天会离开地球生活?

我想人类是地球上唯一一个想要离开地球的物种。人类确实可以离开地球,但是问题在于人类多年来的进化都是为了适应在地球上的生活,而且现在人类可以在地球上生活得很好。一旦离开了人类的自然栖息地,可能就意味着死亡。对于人类来说,太空很可能意味着死亡。人类不可能在太空中像在地球上一样生活。

我们可以想象,在火星上的生物必然会和地球生物有很大不同。火星生命必须能够抵御紫外线、习惯没有氧气的环境等等。而人类作为一个地球物种,我们除了地球别无选择。人类想去火星是可以理解的,人可以去火星度假几个月,做一些勘探工作。也可以去月球,在月球上建立一个基地。但是人类早已适应了地球的重力,习惯了地球的氧气含量,在这些方面无法做出改变。

下一代进行系外行星探测的望远镜会不会是在太空中工作?

不只是这样。我想我们还要继续探测火星。探测火星对于我们理解生命很关键。人类不一定需要前往火星,可以制造出机器人去火星,取得火星样本带回地球。

我们也需要在地球上建造更大的天文望远镜。在地面上进行天文学探测已经取得了很大的进展,而且我们也知道了怎么对付大气层带来的影响。在很多情况下,我们并不一定非要在太空中进行探测。所以在地面上进行探测,建造 40 米口径的天文望远镜才是最关键的。我还在期待着下一代 100 米口径的天文望远镜。人们已经知道如何建造这样的望远镜了,只剩下资金和寻找场地等问题需要解决。在地面上建造的天文望远镜是可以持续使用很长时间的设备,就像是金字塔一样。人们需要很长时间去建造,望远镜会成为地标性的建筑,并且在其中应用很多科学设备。

同时我们也需要考虑在太空中使用一些特定的设备去解决一些特定的问题。我们需要在太空站里对系外行星进行直接探测,需要用太空望远镜对系外行星进行持续几天的观测,观测它的自转等等。这些是我所需要的下一代观测仪器,在地面上对于一些与地球类似的行星进行观测。而下一代的科学家会使用太空望远镜,或是地面上超大的望远镜进行观测。这是我所预测的在未来 30 年会发生的事。当然,也许人们仍然没能发现生命,还需要再下一代的设备进行观测。但是人类不会停止,科学就是一代又一代科学家的故事。因为对于人类来说,寻找生命是最重要的科学问题之一。另外,如果曾经有生命形式在其他行星上发生了自我毁灭,我们也有可能发现其中的痕迹,这也有可能反映出人类自身的问题。

你认为有没有一丁点可能,人类能够发现文明水平不亚于人类甚至比人类更先进的地外文明?

坦白地说,我不知道,但是我对于文明本身充满了忧虑。人类制造了如此之多的核武器。即便不是一场战争,哪怕是一次意外,都可能对人类造成毁灭。作为地球上的一个物种,我们社会中充满了危险。我非常严肃地问自己,人类是否注定会灭亡?因为人类的一些行为非常疯狂。

想要找到比人类更先进的文明,我认为可能性非常低,因为人类可能并没有足够的时间。人类需要更多的时间去发展技术,制造更先进的仪器。但是有了更先进的技术,即使不去使用它,人类也会变得更强大、更危险。我不想显得消极,但是想想人类的历史,这既是一部成功的历史,同时也说明了为什么人类可能注定会毁灭

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