i det 12: e avsnittet av Cosmos, som sändes den 14 December 1980, introducerade programmets medskapare och värd Carl Sagan TV-tittare till astronomen Frank Drakes eponymous ekvation. Med hjälp av det beräknade han det potentiella antalet avancerade civilisationer i Vintergatan som kunde kontakta oss med hjälp av den utomjordiska motsvarigheten till vår moderna radiokommunikationsteknik. Sagans uppskattning varierade från” ett ynkligt fåtal ” till miljoner. ”Om civilisationer inte alltid förstör sig kort efter att ha upptäckt radioastronomi, kan himlen vara mjukt surrande med meddelanden från stjärnorna,” sade Sagan på sitt oändliga sätt.
Sagan var pessimistisk om att civilisationer kunde överleva sin egen tekniska ”Ungdom” – övergångsperioden när en kulturs utveckling av, säg, kärnkraft, bioengineering eller en myriad av andra kraftfulla förmågor lätt kunde leda till självförintelse. I huvudsak alla andra sätt, han var en optimist om utsikterna för pangalaktiska liv och intelligens. Men den vetenskapliga grunden för hans tro var i bästa fall skakig. Sagan och andra misstänkte uppkomsten av liv på clement världar måste vara en kosmisk oundviklighet, eftersom geologiska bevis föreslog att det uppstod chockerande snabbt på jorden: över fyra miljarder år sedan, praktiskt taget så snart vår planet hade tillräckligt svalnat från sin eldiga bildning. Och om, precis som i vår värld, livet på andra planeter uppstod snabbt och utvecklades till att bli allt mer komplex över tiden, kanske intelligens och teknik också kan vara vanligt i hela universum.under de senaste åren har dock vissa skeptiska astronomer försökt lägga mer empirisk heft bakom sådana uttalanden med hjälp av en sofistikerad analysform som kallas Bayesian statistics. De har fokuserat på två stora okända: oddsen för liv som uppstår på jordliknande planeter från abiotiska förhållanden-en process som kallas abiogenes—och därifrån kommer oddsen för intelligens fram. Även med sådana uppskattningar i handen är astronomer oense om vad de betyder för livet någon annanstans i kosmos. Den bristen på konsensus beror på att även den bästa Bayesianska analysen bara kan göra så mycket när hårda bevis för utomjordiskt liv och intelligens är tunna på marken.Drake-ekvationen, som astronomen introducerade 1961, beräknar antalet civilisationer i vår galax som kan överföra—eller ta emot—interstellära meddelanden via radiovågor. Det bygger på att multiplicera ett antal faktorer, som var och en kvantifierar någon aspekt av vår kunskap om vår galax, planeter, liv och intelligens. Dessa faktorer inkluderar USP, bråkdelen av stjärnor med extrasolära planeter; ne, antalet beboeliga planeter i ett extrasolärt system; uspl, bråkdelen av beboeliga planeter på vilka liv uppstår; och så vidare.
”Vid den tiden skrev Drake ner – eller till och med för 25 år sedan—kunde nästan någon av dessa faktorer ha varit de som gör livet väldigt sällsynt”, säger Ed Turner, en astrofysiker vid Princeton University. Nu vet vi att världar runt stjärnor är normen, och att de som liknar jorden i de mest grundläggande termer av storlek, massa och solinstrålning är vanliga också. Kort sagt, det verkar inte finnas någon brist på galaktiska fastigheter som livet kan uppta. Men ”en av de största osäkerheterna i hela kedjan av faktorer är sannolikheten för att livet någonsin skulle komma igång—att du skulle göra det hoppet från kemi till liv, även med lämpliga förhållanden”, säger Turner.att ignorera denna osäkerhet kan leda till att astronomer gör ganska djärva påståenden. Till exempel, förra månaden Tom Westby och Christopher Conselice, båda vid University of Nottingham i England, gjorde rubriker när de beräknade att det borde finnas minst 36 intelligenta civilisationer i vår galax som kan kommunicera med oss. Uppskattningen baserades på ett antagande om att intelligent liv framträder på andra beboeliga jordliknande planeter cirka 4,5 miljarder till 5,5 miljarder år efter bildandet.
” det är bara ett mycket specifikt och starkt antagande”, säger astronomen David Kipping Från Columbia University. ”Jag ser inga bevis för att det är en säker satsning att göra.”
att svara på frågor om sannolikheten för abiogenes och uppkomsten av intelligens är svårt eftersom forskare bara har en enda information: livet på jorden. ”Vi har inte ens en fullständig datapunkt”, säger Kipping. ”Vi vet inte när livet uppstod, till exempel på jorden. Även det är föremål för osäkerhet.”
ännu ett problem med att göra antaganden baserade på vad vi lokalt observerar är så kallad selection bias. Tänk dig att köpa lotter och slå jackpotten på ditt 100: e försök. Rimligen kan du sedan tilldela en 1 procent sannolikhet för att vinna lotteriet. Denna felaktiga slutsats är naturligtvis en urvalsförskjutning som uppstår om du bara pollar vinnarna och ingen av misslyckandena (det vill säga de tiotals miljoner människor som köpte biljetter men aldrig vann lotteriet). När det gäller att beräkna oddsen för abiogenes, ”vi har inte tillgång till misslyckanden”, säger Kipping. ”Så det är därför vi är i en mycket utmanande position när det gäller detta problem.”
Ange Bayesiansk analys. Tekniken använder Bayes sats, uppkallad efter Thomas Bayes, en 18th century engelsk statistiker och minister. För att beräkna oddsen för någon händelse, såsom abiogenes, inträffar, astronomer först komma med en sannolik sannolikhetsfördelning av det—en bästa gissning, om du vill. Till exempel kan man anta att abiogenes är lika sannolikt mellan 100 miljoner och 200 miljoner år efter att jorden bildats som det är mellan 200 miljoner och 300 miljoner år efter den tiden eller någon annan 100 miljoner år av vår planets historia. Sådana antaganden kallas Bayesian priors, och de görs uttryckliga. Då samlar statistikerna data eller bevis. Slutligen kombinerar de tidigare och bevisen för att beräkna vad som kallas en bakre Sannolikhet. I fallet med abiogenes skulle den sannolikheten vara oddsen för uppkomsten av liv på en jordliknande planet, med tanke på våra tidigare antaganden och bevis. Den bakre är inte ett enda tal utan snarare en sannolikhetsfördelning som kvantifierar all osäkerhet. Det kan till exempel visa att abiogenes blir mer eller mindre sannolikt med tiden snarare än att ha en enhetlig sannolikhetsfördelning som föreslagits av den tidigare.under 2012 var Turner och hans kollega David Spiegel, då vid Institute for Advanced Study i Princeton, NJ, de första som noggrant tillämpade Bayesiansk analys på abiogenes. I deras tillvägagångssätt uppstår livet på en jordliknande planet runt en solliknande stjärna inte förrän ett minimum antal år, tmin, efter den världens bildande. Om livet inte uppstår före någon maximal tid, tmax, då dess stjärna åldras (och så småningom dör), blir förhållandena på planeten för fientliga för att abiogenes någonsin ska inträffa. Mellan tmin och tmax var Turner och Spiegels avsikt att beräkna sannolikheten för abiogenes.
forskarna arbetade med några olika tidigare fördelningar för denna sannolikhet. De antog också att intelligens tog en viss bestämd tid att dyka upp efter abiogenes.med tanke på sådana antaganden kunde de geofysiska och paleontologiska bevisen på livets uppkomst på jorden och vad evolutionsteorin säger om uppkomsten av intelligent liv, Turner och Spiegel beräkna olika bakre sannolikhetsfördelningar för abiogenes. Även om bevisen för att livet uppträdde tidigt på jorden verkligen kan föreslå abiogenes är ganska lätt, placerade inte posteriorerna någon lägre gräns för sannolikheten. Beräkningen ”utesluter inte mycket låga sannolikheter, vilket verkligen är sunt förnuft med statistik om en”, säger Turner. Trots livets snabba uppkomst på jorden kan abiogenes ändå vara en extremt sällsynt process.
Turner och Spiegels ansträngning var den ”första riktigt allvarliga Bayesianska attacken på detta problem”, säger Kipping. ”Jag tror att det som var tilltalande är att de bröt denna standard, naiva tolkning av livets tidiga framväxt.”trots detta trodde Kipping att forskarnas arbete inte var utan dess svagheter, och han har nu försökt korrigera det med en mer detaljerad Bayesiansk analys av sig själv. Till exempel ifrågasätter Kipping antagandet att intelligens uppstod vid någon bestämd tid efter abiogenes. Denna prior, säger han, kan vara en annan förekomst av urvalsförskjutning—ett begrepp som påverkas av den evolutionära vägen genom vilken vår egen intelligens uppstod. ”I andan att koda all din okunnighet, varför inte bara erkänna att du inte vet det numret heller?”Kipping säger. ”Om du försöker dra slutsatsen hur lång tid det tar livet att dyka upp, varför inte bara också göra intelligens samtidigt?”
det förslaget är exakt vad Kipping försökte uppskatta både sannolikheten för abiogenes och uppkomsten av intelligens. För en prior valde han något som heter Jeffreys prior, som designades av en annan engelsk statistiker och astronom, Harold Jeffreys. Det sägs vara maximalt informativt. Eftersom Jeffreys prior inte bakar i massiva antaganden, lägger det mer vikt på bevisen. Turner och Spiegel hade också försökt hitta en uninformative prior. ”Om du vill veta vad uppgifterna berättar för dig och inte vad du tänkte på det tidigare, vill du ha en informativ prior”, säger Turner. I sin 2012-analys anställde forskarna tre priors, varav en var minst informativ, men de misslyckades med att använda Jeffreys prior, trots att de var medvetna om det.
i Kippings beräkning fokuserade den tidigare uppmärksamheten på vad han kallar parameterutrymmets ”fyra hörn”: livet är vanligt och intelligens är vanligt; livet är vanligt och intelligens är sällsynt; livet är sällsynt och intelligens är vanligt; och livet är sällsynt, och intelligens är sällsynt. Alla fyra hörnen var lika troliga innan Bayesian-analysen började.
Turner håller med om att använda Jeffreys prior är ett betydande framsteg. ”Det är det bästa sättet vi verkligen har att bara fråga vad uppgifterna försöker berätta för dig”, säger han.genom att kombinera Jeffreys prior med det glesa beviset på livets uppkomst och intelligens på jorden fick Kipping en bakre sannolikhetsfördelning, vilket gjorde det möjligt för honom att beräkna nya odds för de fyra hörnen. Han fann till exempel att scenariot ”livet är vanligt och intelligens är sällsynt” är nio gånger mer sannolikt än att både liv och intelligens är sällsynta. Och även om intelligens inte är sällsynt, livet-är-vanligt scenario har ett minimum oddsförhållande på 9 till 1. Dessa odds är inte den typ som man skulle satsa huset på, säger Kipping. ”Du kan lätt förlora vadet.”
ändå är den beräkningen” ett positivt tecken på att livet borde vara där ute”, säger han. ”Det är åtminstone en suggestiv antydan om att livet inte är en svår process.”
inte alla Bayesianska statistiker skulle hålla med. Turner, för en, tolkar resultaten annorlunda. Ja, Kippings analys tyder på att livets uppenbara tidiga ankomst på jorden gynnar en modell där abiogenes är vanligt, med ett specifikt oddsförhållande på 9:1. Men denna beräkning betyder inte att modellen är nio gånger mer sannolikt att vara sant än den som säger abiogenesis är sällsynt, Turner säger, tillade att Kipping tolkning är ”lite alltför optimistisk.”enligt Turner, som applåderar Kippings arbete, kommer även den mest sofistikerade Bayesianska analysen fortfarande att lämna utrymme för sällsyntheten i både liv och intelligens i universum. ”Vad vi vet om livet på jorden utesluter inte dessa möjligheter”, säger han.
och det är inte bara Bayesian statistiker som kan ha ett nötkött med Kipping Tolkning. Alla som är intresserade av frågor om livets ursprung skulle vara skeptisk hävdade svar, med tanke på att en sådan analys är i tacksamhetsskuld till geologiska, geofysisk, paleontologisk, arkeologiska och biologiska bevis för livet på jorden—varav ingen är entydig om tidslinjerna för abiogenes och uppkomsten av intelligens.
”Vi kämpar fortfarande för att definiera vad vi menar med ett levande system”, säger Caleb Scharf, en astronom och astrobiolog vid Columbia. ”Det är ett halt djur, när det gäller vetenskaplig definition. Det är problematiskt för att göra ett uttalande när abiogenes händer—eller till och med uttalanden om intelligensens utveckling.”
Om vi hade rigorösa definitioner kvarstår problem. ”Vi vet inte om livet startade, slutade, startade om. Vi vet inte heller om livet bara kan konstrueras på ett sätt eller inte,” säger Scharf. När blev jorden gästvänlig för livet? Och när det gjorde, var de första molekylerna i denna” liv ” aminosyror, RNA eller lipidmembran? Och efter att livet först kom till, var det snuffed ut av någon katastrofal händelse tidigt i jordens historia, bara för att starta om på ett potentiellt annat sätt? ”Det är väldigt mycket osäkerhet”, säger Scharf.
allt detta sketchy bevis gör även Bayesian analys svår. Men som en teknik är den fortfarande den bäst lämpade metoden för att hantera mer bevis–säg upptäckten av tecken på liv som finns på Mars tidigare eller inom en av Jupiters istäckta, havsbärande månar för närvarande.
” det ögonblick vi har en annan datapunkt att spela med, förutsatt att det händer, är sätten att bäst utnyttja den extra data. Plötsligt krymper osäkerheten dramatiskt, ” säger Scharf. ”Vi behöver inte nödvändigtvis undersöka varje stjärna i vår galax för att ta reda på hur troligt det är för en viss plats att hysa livet. En eller två datapunkter, och plötsligt vet vi om i huvudsak universum när det gäller dess benägenhet att producera liv eller möjligen intelligens. Och det är ganska kraftfullt.”