编者按
本专栏决心打破以往只由刘某个人书写的惯例，以更开放的姿态欢迎天文专业圈、爱好者圈人士的赐稿，以期从更多元的角度审视我们所热爱的宇宙。本文是刘某对朋友们作此表示以来，首次付诸行动的一篇。投稿者是刘某好友，一位高能天体物理博士 @易逸度大王，学养扎实，热衷科学普及写作。本文是他一篇带有思想探索性质的科学小品文，作者认为文章内容超出了他自己的研究领域，因害怕贻笑大方或者被诟病误导读者，特意要求使用笔名。虽说是一家之言，也都处处有据，请读者自行判断真伪。作者寄望，能通过本文，吸引对此问题同样感兴趣的、有相关专业背景的人士，共同就此问题进一步深入讨论。
两年前我为《环球科学》翻译了一篇文章，题目叫《比地球更美好的家园》[1]。这篇文章的作者勒内·埃莱尔说，其实地球在孕育生命的方面远不算"优等生"。他心目中优等生是那些红矮星（M型星）附近的行星。因为红矮星的寿命比太阳更长，所以可以给生命提供一个长期稳定的发展环境。而且宇宙中这种低质量的恒星更多，所以我们寻找地外家园的目光应该转向这类地方。
在这篇文章中他提道：虽然 M 型恒星的温度比太阳温度低，但是行星可以离恒星更近一点来获得与地球同样的温暖。所谓温暖，就是指温度既不会热得让水蒸发，也不会冷得让水结冰。换句话说，在行星上可以保有液态水。
在我开始反驳这个说法之前，这里先顺便提一下为什么科学家那么执着于液态水。这是因为科学家们相信宇宙里的生命应该有一个基本点和地球上的生命相同，即都是依靠化学反应过活的。既然是化学反应，那么在溶剂中的化学反应的效率就远远高于以固体或气体进行的化学反应。这是因为在固体中分子不能自由运动，而气体中的分子密度又太小。只有在溶剂中，分子之间接触频繁，因此是最适合发生化学反应的地方。
这就解释了"液态"的好处。不过为什么一定是水呢？液态的其他溶剂不可以吗？这是因为水的化学结构非常简单：两个氢原子一个氧原子。氢原子在宇宙中无处不在，是大爆炸早期原初核合成的第一批原子。氧原子是恒星核反应中的常见产物。另一方面，水是极性分子，因此具有包容很多离子的美德，是理想的溶剂。因此，寻找液态水是寻找地外生命的重中之重。
在每一个恒星周围，都存在一个合适的距离，在那里行星表面的温度可以在0～100摄氏度之间，也就是可以允许液体水的存在。这个合适的距离范围就叫"宜居带"。
太阳系有宜居带，地球就在其中；M型星也有宜居带，只不过离恒星更近而已。因此地球位于太阳系的宜居带这件事并没有什么了不起。
不过有另外一件事情很少有人提及，就是 M 型星的光子能量要比太阳低很多。这会给生命造成多大的影响呢？
在我们地球上，一切生命活动的能源几乎都来自太阳（除了少量生活在海底火山口里的细菌）。无论你处于食物链的哪个层级，你的能量最终都会追溯到植物的光合作用。在光合作用中，叶绿素吸收了太阳光中能量大于1.8 eV 的光子[2]，而发生后续的化学反应。低能量的光子并不会被植物利用，因而也对地球上的生物圈没有帮助。我们知道太阳表面的温度大约6000 K左右，因此太阳光中最多的是1.5 eV 附近的光子。1.8 eV 以上的光子虽然数量开始下降了，但还剩下不少。
而 M 型星的表面温度大约3000 K左右，也就是平均来说，它的光子能量只有太阳的一半。即最多的光子能量是在0.7 eV左右。这样一来，如果地球上的植物到了M型星系的行星上，根本无法进行光合作用。所以地球上的生物圈在这样的行星上是难以生存的。
有人可能问了，为什么要以地球上的植物的光合作用作为标准呢？没准儿 M 型星周围会进化出一种植物，可以利用更低能量的光子进行光合作用也未可知呢？也许如此，不过光合作用就如同光电反应一样，永远是向下兼容的。也就是说，更高能量的光子可以解锁更多的化学反应。如果你只有低能量的光子，即使有很多，你这个星球上能开展的化学反应种类也很有限。由于我们认为生命的基础是化学反应，所以可以想见，这种星球上即便有生命，恐怕也玩不出什么花样来。
在这里我还想从另一个角度做一个讨论：
记得本科上《统计力学》这门课的时候，有一个课堂习题是这样的：告诉你一个恒星的表面温度，然后告诉你一个行星到这颗恒星的距离，叫你来计算这颗行星的表面温度。这道题并不算难，诀窍是要注意到：在每一刻，行星从恒星那里吸收的辐射能量，要等于行星从自己表面辐射出去的能量。这样你就可以把两个黑体辐射的公式画上等号，然后求出行星表面的温度了。
不过当我做完这道题之后，却陷入了沉思。"在每一刻，行星从恒星那里吸收的辐射能量，要等于行星从自己表面辐射出去的能量。"这意味着行星实际上从恒星获取的净能量为零！那恒星到底提供了什么给行星呢？答案是负熵。行星从恒星那里吸收低熵的光子，转换成高熵的光子辐射出去，本质上获取了负熵。薛定谔认为生命就是一种源源不断从外界吸取负熵，从而抵御热力学第二定律的存在[3]。一颗位于M型星宜居带的行星，和位于太阳系宜居带的地球区别何在呢？它们从各自恒星获取负熵的效率是不同的。由于来自太阳的光子更"优质"，因此地球生物圈获得负熵的速度要超过位于M型星宜居带的行星。
我们不妨从一个更高的视角思考这个问题。生命的最大特征就是可以自我复制。比如你有一个1G的影片，你拷给了你们宿舍6个人。那么你们寝室所有硬盘作为一个系统，增加的信息量就是5G。类似的，地球上从出现第一段DNA，到现在的万类生灵，信息量的增加是十分惊人的。这些信息量是从哪里来的？大家可能知道，信息量的本质就是"负熵"，所以是太阳提供了这些生命复制所需要的信息量。地球从太阳获得负熵的速度要比一个表面温度3000K的M型星宜居带里的行星从它的恒星辐射得到的负熵的速率快大约5%[4]. 因此假如生物的增殖速度也要快一些。鉴于生物的大量增殖是进化的先决条件，地球上的生命进化的速度应该比M型星更快。
那是不是表面温度越高的恒星周围，越有可能进化出高级生命呢？这也不一定。就拿O型星为例，它们的温度可以达到30,000K。可是它们的寿命太短暂了，只有几百万年。这留给它们周围行星上生命的进化时间也太短了。而地球从最初的生命到我们人类已经经历了42亿年的时间，而恐龙灭绝也已经是6500万年前的事情了。
所以，地球不仅温暖，而且依靠着太阳这样一个优质而稳定的光子源，这才孕育出了我们人类。它实际上并没有我们想象得那么普通。▣
[1]《比地球更好的家园》 勒内·埃莱尔，《环球科学》2015年1月刊 （或见其公众号文章：地球并非最宜居星球？）
[2] http://http://ift.tt/2tgxvld-much-energy-is-carried-by-photons-used-in-photosynthesis/
[3]《生命是什么？》埃尔温·薛定谔，1948，剑桥大学出版社
[4] 在能流密度相同的情况下，黑体辐射的熵与温度成反比。因此单位时间单位面积所接收到的负熵正比于1/T*-1/T_p. 其中T*是恒星，T_p是行星表面的温度。假设行星表面温度是300 K，那么地球接收太阳的信息量流速大约比一个3000K的M型星宜居带里的行星大 5%.
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来源：知乎 www.zhihu.com
作者：刘博洋
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