目前科學(xué)家搜索地外生命主要有三條路徑。第一條是向太陽(yáng)系之內(nèi)可能擁有生命的星球發(fā)射軌道探測(cè)器、登陸探測(cè)器、漫游車(chē)、以及飛掠探測(cè)器；第二條是對(duì)我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的遙遠(yuǎn)系外行星展開(kāi)進(jìn)一步分析，希望能找到一些生物特征、或至少找到一些與生物有關(guān)的蛛絲馬跡。第三條則是尋找技術(shù)特征，比如由智慧文明創(chuàng)造的非自然信號(hào)。除此之外，還有些人甚至在尋找地球上已經(jīng)出現(xiàn)外星人的證據(jù)，不過(guò)這類(lèi)研究的科學(xué)價(jià)值頗受爭(zhēng)議。

但如果我們強(qiáng)烈懷疑，宇宙中也許不僅存在外星人、甚至還有與人類(lèi)體型相仿的外星人呢？我們能直接看見(jiàn)它們嗎？于是有人提出了這么一個(gè)問(wèn)題：“如果我們?cè)煲慌_(tái)足夠大的望遠(yuǎn)鏡，能否看見(jiàn)外星人在其它行星上走來(lái)走去呢？”

圖為當(dāng)時(shí)尚屬全新的哈勃望遠(yuǎn)鏡于1990年拍攝的第一張照片。沒(méi)有了大氣的干擾，再加上哈勃的大口徑，其拍攝行星系的分辨率遠(yuǎn)勝任何地面望遠(yuǎn)鏡。分辨率主要取決于光線波長(zhǎng)與主鏡直徑的比例。

盡管存在障礙，但這種設(shè)想的確是有可能實(shí)現(xiàn)的。為此，我們首先要解決以下幾個(gè)問(wèn)題。

首先，對(duì)任何光學(xué)系統(tǒng)而言，最重要的一點(diǎn)、也是最基礎(chǔ)的一點(diǎn)都是分辨率。要想看到大小為1米的物體，望遠(yuǎn)鏡的分辨率最好也能達(dá)到1米、甚至能看到更小的東西才行。但在使用望遠(yuǎn)鏡時(shí)，我們關(guān)注的并非觀察對(duì)象的實(shí)際大小，而是角大小。這種角分辨率意味著，只有當(dāng)物體與我們的距離處在某一范圍內(nèi)時(shí)，我們才能敏感地發(fā)現(xiàn)特定大小的物體，位于這一范圍之外的物體則不行。

你也許聽(tīng)說(shuō)過(guò)，望遠(yuǎn)鏡的分辨率由自身大小決定，這在一定程度上是正確的。望遠(yuǎn)鏡分辨率不僅取決于主鏡直徑，還取決于其觀察的光線波長(zhǎng)。說(shuō)得更準(zhǔn)確些，望遠(yuǎn)鏡分辨率主要由波長(zhǎng)與主鏡直徑的比例決定。例如，詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡口徑為6.5米，可觀測(cè)的光線最短波長(zhǎng)約為550納米，最長(zhǎng)為28000納米，因此它能實(shí)現(xiàn)的最大分辨率介于短波的0.03角秒到長(zhǎng)波的1.4角秒之間。

這三張圖片模擬的對(duì)象都是NGC 3603，分別來(lái)自哈勃望遠(yuǎn)鏡（左圖）、甚大望遠(yuǎn)鏡（中間）、以及正在建設(shè)中的歐洲極大望遠(yuǎn)鏡（左圖）。圖片清晰度的提高反映了望遠(yuǎn)鏡分辨率的增加。

要回答上面的問(wèn)題，我們先以低地軌道上最強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡——哈勃望遠(yuǎn)鏡為例。以它在太空中的位置，哈勃望遠(yuǎn)鏡能看到地球上的人類(lèi)嗎？

這張照片由宇航員凱倫·尼伯格于2013年從國(guó)際空間站上拍攝。要想在國(guó)際空間站的高度上看見(jiàn)地球上的人類(lèi)，得使用哈勃那么大的望遠(yuǎn)鏡才行。

請(qǐng)你先憑直覺(jué)猜一下：能，還是不能？

好了，接下來(lái)讓我們揭曉答案。哈勃望遠(yuǎn)鏡的主鏡直徑為2.4米，位于地表上方約547千米處。假設(shè)人的尺寸約為1米（從上往下看時(shí)，如果你處于直立狀態(tài)，這個(gè)尺寸就會(huì)小一些；但如果你是躺在地上，這個(gè)尺寸就會(huì)大一些，所以我們?nèi)€(gè)平均值），轉(zhuǎn)化成角尺寸，相當(dāng)于0.000105°、或0.37角秒。哈勃望遠(yuǎn)鏡只能在可見(jiàn)光波段達(dá)到這樣的分辨率，所以如果我們的顏色為藍(lán)、紫或紫外光，答案就是“能看見(jiàn)”；但如果我們的顏色偏紅，答案就是“不一定”了。

利用可見(jiàn)光尋找人類(lèi)再合適不過(guò)了，如果行星大氣類(lèi)似于地球、可見(jiàn)光穿透力很強(qiáng)，那就更加理想。短波光線具有分辨率更大的優(yōu)勢(shì)，但行星大氣對(duì)伽馬射線和X射線基本是不透明的。紫外光大部分也會(huì)被阻隔在外，如果有保護(hù)性臭氧層，阻擋效果會(huì)更加明顯。即使我們將望遠(yuǎn)鏡送入太空，也可以借助在地球大氣中穿透力很強(qiáng)的這類(lèi)光線搜索人類(lèi)。

這張由尼爾·阿姆斯特朗拍攝的經(jīng)典照片記錄了巴斯·奧爾德林將美國(guó)國(guó)旗插上月球表面的情景。注意一下前景中的腳印。這些腳印從月球軌道上依然清晰可見(jiàn)，但地球上的望遠(yuǎn)鏡分辨率則遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。

要想用哈勃望遠(yuǎn)鏡（或其它合適的儀器）搜索外星球上的“人類(lèi)”，我們只需要弄清觀測(cè)對(duì)象離我們有多遠(yuǎn)，就能知道要造多大的望遠(yuǎn)鏡了。計(jì)算起來(lái)很簡(jiǎn)單：如果想以相同的分辨率、觀察比哈勃望遠(yuǎn)鏡范圍上限遠(yuǎn)10倍的物體，只需要讓主鏡直徑達(dá)到哈勃的10倍即可。接下來(lái)就讓我們看看，要想尋找不同距離之外的外星人，究竟需要造多大的望遠(yuǎn)鏡。

月球

先讓我們看看離我們最近的鄰居、地球的天然衛(wèi)星——月球。就行星距離來(lái)說(shuō)，月球離我們比太陽(yáng)系中的任何天體都要近得多，甚至近到能讓我們?cè)谠卤淼顷?。月球圍繞地球旋轉(zhuǎn)的軌道為橢圓形，而不是正圓形，因此離地球時(shí)近時(shí)遠(yuǎn)。位于近地點(diǎn)時(shí)，地月距離為356500千米；遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)則為406700千米。從低地軌道到月球，光線的平均傳播距離約為38萬(wàn)千米。

圖為歐洲極大望遠(yuǎn)鏡全新的五鏡光學(xué)系統(tǒng)。在進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部的科學(xué)儀器前，光線首先經(jīng)過(guò)直徑39米的凹面主鏡（M1）反射，然后到達(dá)兩片直徑4米的鏡片，分別為凸面鏡（M2）和凸面鏡（M3）。最后兩片鏡片（M4和M5）構(gòu)成了內(nèi)置自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，可以在最終的聚焦平面上形成清晰度極高的照片。主鏡由798片鏡片組成。

這就意味著，我們?nèi)粝胗霉^察地球時(shí)的分辨率觀察月球，望遠(yuǎn)鏡口徑需達(dá)到1650米。造出這么巨大的望遠(yuǎn)鏡堪稱(chēng)壯舉，但也代價(jià)驚人。人類(lèi)建造的最大的望遠(yuǎn)鏡為歐洲極大望遠(yuǎn)鏡，直徑39米，目前還在南半球施工中。其主鏡由789片六邊形鏡片組成，每片直徑1.4米。要想造出1600米口徑的望遠(yuǎn)鏡，大約需要140萬(wàn)片這樣的鏡片。

金星與火星

假如我們不想將視線局限在月球上，還想在太陽(yáng)系宜居帶內(nèi)的其它行星上尋找外星生命，那就是金星和火星了。盡管這兩顆行星到地球的平均距離都超過(guò)了1億公里，但在圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，它們和地球之間的距離有時(shí)會(huì)大大縮短。金星距地球最近能達(dá)到3800萬(wàn)公里，火星則為6200萬(wàn)公里。

如何讓視線穿透金星厚厚的云層是一項(xiàng)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。我們偶爾才能在可見(jiàn)光下看見(jiàn)金星表面，即使這樣也需要云層剛好裂開(kāi)一條縫才行。而火星就輕松多了，因?yàn)榛鹦堑脑茖雍痛髿舛己芟”。┩感院軓?qiáng)。只要沒(méi)有暴風(fēng)雨，即使從很遠(yuǎn)的地方也能看見(jiàn)火星表面。

按這樣的距離來(lái)算，要想看見(jiàn)金星表面的“人”，望遠(yuǎn)鏡口徑需達(dá)到161千米，火星則為263千米。前者相當(dāng)于新澤西的面積，后者更是和整個(gè)西弗吉尼亞相當(dāng)。

木星衛(wèi)星

也許有朝一日，我們不僅能在太陽(yáng)系中的巖質(zhì)行星上發(fā)現(xiàn)生命，還能在氣態(tài)巨行星的某顆衛(wèi)星上發(fā)現(xiàn)。太陽(yáng)系中離我們最近的氣態(tài)巨行星是木星。人們普遍認(rèn)為，木衛(wèi)二和木衛(wèi)三擁有適宜生命存活的特征。與到地球的距離相比，這些衛(wèi)星到木星的距離幾乎可以忽略不計(jì)。在最靠近地球時(shí)，木星離我們“只有”5.88億公里。

科學(xué)家?guī)缀蹩梢钥隙ǎ拘l(wèi)二冰封的表面之下有一片地下海洋，但并不清楚這層冰可能有多厚。藝術(shù)家繪制了兩張木衛(wèi)二冰殼的截面圖。在兩張圖片中，熱量都會(huì)以海底火山的形式從木衛(wèi)二的巖質(zhì)地幔中逃逸出去，然后由洋流帶到地表。要想從地球上觀察到木衛(wèi)二表面與人類(lèi)大小相當(dāng)?shù)奈矬w，需要一臺(tái)阿拉斯加那么大的望遠(yuǎn)鏡才行。

這樣一來(lái)，我們所需的望遠(yuǎn)鏡口徑為2500公里，面積大致與美國(guó)阿拉斯加州相當(dāng)。這種規(guī)模的望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)大到難以想象了，因?yàn)橹睆揭呀?jīng)達(dá)到了月球的四分之三。但事實(shí)就是如此，要想從數(shù)億公里之外拍到人類(lèi)那么大的物體，就是需要這種天體尺度的望遠(yuǎn)鏡。隨著距離進(jìn)一步增加，情況還會(huì)更嚴(yán)重。

通過(guò)這根刻度尺可以看出，有些天體離我們是多么遙遠(yuǎn)。各個(gè)行星、柯伊伯帶、奧爾特云、以及離我們最近的恒星都在圖上。要想保持相同的分辨率，距離每增加10倍，主鏡直徑也要增加10倍。

土星、天王星、海王星和更遠(yuǎn)的星球

土星到地球的距離約為木星的兩倍，距地球最近時(shí)為12億公里，望遠(yuǎn)鏡口徑需達(dá)到5000公里，幾乎與土星最大的衛(wèi)星、也是太陽(yáng)系中第二大的衛(wèi)星土衛(wèi)六相當(dāng)。

天王星到地球的距離又是土星的兩倍，即使距離最近時(shí)也足有25.7億公里。望遠(yuǎn)鏡口徑需達(dá)到10800公里，約為地球直徑的85%。

海王星距地球最近時(shí)為42.98億公里，望遠(yuǎn)鏡口徑需達(dá)到17800公里，相當(dāng)于地球的1.5倍。

至于柯伊伯帶上的天體，我們得打造一臺(tái)直徑達(dá)到地球兩三倍的望遠(yuǎn)鏡才行。要想看到奧爾特云，望遠(yuǎn)鏡口徑幾乎要與太陽(yáng)相當(dāng)。更別提圍繞其它恒星旋轉(zhuǎn)的行星了。

波江座51b于2014年由雙子座行星成像儀發(fā)現(xiàn)。它的質(zhì)量為木星的兩倍，是目前拍攝到的溫度最低、質(zhì)量最小的系外行星，到中央恒星的距離只有12個(gè)天文單位。要想拍攝到這顆行星上人類(lèi)大小的物體，望遠(yuǎn)鏡分辨率需達(dá)到目前最高水平的數(shù)十億倍。

系外行星

除非我們決定將人類(lèi)送到太陽(yáng)系的其它星球上，否則在這些世界發(fā)現(xiàn)自然演化出的人類(lèi)的概率幾乎為零。但在太陽(yáng)系以外的行星上，也許會(huì)存在與人類(lèi)體型相仿的生物。

我們到最近的恒星的距離介于4光年至10光年之間，其中有些恒星的行星也許不僅宜居，甚至可能擁有類(lèi)似人類(lèi)大小、或者體型更大的生命形式。

要想看到幾光年之外行星上1米長(zhǎng)的物體，又需要多大的望遠(yuǎn)鏡呢？

對(duì)于離我們最近的比鄰星系中的行星，望遠(yuǎn)鏡口徑需與地球的公轉(zhuǎn)軌道相當(dāng)。對(duì)于天倉(cāng)五周?chē)男行?，望遠(yuǎn)鏡直徑要達(dá)到小行星帶的直徑才行。要想觀察TRAPPIST-1系統(tǒng)中的行星，望遠(yuǎn)鏡需要達(dá)到土星軌道大小。這些尺寸是不是聽(tīng)上去大得驚人？這大概就是為何從未有人提出直接通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀察、搜索外星生命的原因吧。

阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列由一系列射電望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成。該陣列的聚光能力相當(dāng)于各個(gè)望遠(yuǎn)鏡的總和，但分辨率則將望遠(yuǎn)鏡之間的距離也算在內(nèi)。

不過(guò)，雖然可能性很小，但我們依然有可能在技術(shù)上找到解決之道。要打造一臺(tái)極大的望遠(yuǎn)鏡，有兩點(diǎn)最為關(guān)鍵：一，它必須能聚光，而且聚光能力必須與表面積相匹配；二，分辨率必須足夠高，能夠?qū)⒉煌奈矬w區(qū)分開(kāi)來(lái)，而且分辨率需與主鏡上能容納的波長(zhǎng)數(shù)量相匹配。

但如果我們觀察的對(duì)象足夠明亮，聚光能力也許就不那么重要了，只需保證分辨率夠高即可。

對(duì)于超長(zhǎng)波光線，有一種名叫特長(zhǎng)基線干涉測(cè)量法的技巧，而這種技巧從理論上來(lái)說(shuō)也可用于可見(jiàn)光波段。如果我們能在太陽(yáng)系中建立起一個(gè)小型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，雖然其聚光能力僅為這些望遠(yuǎn)鏡的總和，但分辨率卻可以將這些望遠(yuǎn)鏡之間的距離也計(jì)算進(jìn)去。

這固然是項(xiàng)極大的挑戰(zhàn)，但若能設(shè)法實(shí)現(xiàn)，我們的成像細(xì)節(jié)度將達(dá)到前所未有的水平。盡管這注定是條漫長(zhǎng)的征程，但要想知道外星生命究竟長(zhǎng)什么樣，這或許是我們最大的希望了。