För att veta om livet finns utanför jorden måste vi hantera vår egen betydelse i universum. Är vi något unikt eller är vi inget speciellt?
Vi bor alla på en liten planet som kretsar kring en medelålders stjärna som är en av cirka 200 miljarder stjärnor i den enorma virvlande virvel som utgör Vintergatan. Vår galax är antagligen en av flera hundra miljarder liknande strukturer i det observerbara universum, och dess utsträckning idag i alla riktningar från oss är mer än 270.000.000.000.000.000.000.000 (2.7 × 1023) mil.
I enlighet med alla människors normer är universum en enorm mängd materia och en enorm mängd utrymme. Vår art bildades i ett obetydligt ögonblick av kolossal historia, och det verkar som om det kommer att finnas en ännu längre framtid med eller utan vårt deltagande.
Försök att definiera vår position, att fastställa vår betydelse kan verka som någon form av hypertrofierat skämt. Vi måste vara enormt dumma om vi föreställer oss att vi alls kan hitta någon mening för oss själva.
Ändå försöker vi göra just det, trots vår uppenbara medelmåttighet, som blev synlig när renässansforskaren Nikola Kopernik, för ungefär 500 år sedan, slutade betrakta jorden som centrum för solsystemet. Hans idé har blivit en av de största vetenskapliga upptäckterna under de senaste hundra åren, liksom en viktig indikator på vår väg att förstå kosmos inre struktur och den verkliga världens natur.
I våra försök att bedöma vårt värde står vi inför en gåta: vissa upptäckter och teorier antyder att livet mycket väl kan vara vanligt och vanligt, medan andra säger det motsatta. Hur ska vi börja sammanföra vår kunskap om rymden - från bakterier till Big Bang - för att förklara om vi är viktiga eller inte? Och när vi lär oss mer om vår plats i universum försöker vi förstå vad allt detta betyder för våra försök att ta reda på om det finns andra levande saker i rymden? Vad blir våra nästa steg i den här riktningen?
Vad vet vi
Kampanjvideo:
På 1600-talet blev näringsidkaren och forskaren Antony van Leeuwenhoek med sina egna handgjorda mikroskop den första personen som såg bakterier, en resa som tog honom in i mikrokosmos främmande värld. Den här anmärkningsvärda nedstigningen, denna glidning nedför trapporna till fysiska dimensioner in i den vildväxande världen inom oss, var det första steget mot att förstå att komponenterna i vår kropp, vår massa av molekylära strukturer, existerar i den yttersta änden av spektret av den biologiska skalan. Jag tvivlar på att människor före Levenguks fantastiska upptäckt hade möjlighet att tänka på detta faktum, inte på en ytlig nivå utan på någon annan, djupare nivå.
Streptococcus pyogenes-bakterier
Det finns organismer på jorden som är fysiskt större och mer massiva än vi är - titta på valar eller träd. Vi är dock mycket närmare den övre änden av livskalan än den mikroskopiska änden. De minsta reproducerande bakterierna är hundratals miljarder gånger mindre än en meter, och de minsta virusen är fortfarande tio gånger mindre. Människokroppen är cirka 10 eller 100 miljoner gånger större än det enklaste livet vi känner till.
Bland varmblodiga marklevande däggdjur är vi också bland de stora exemplar, men inte högst upp på skalan. I den motsatta änden finns våra minsta släktingar, små spetsar - mycket små varelser av ull och kött som bara väger två gram. De finns på kanten av det möjliga och deras kroppar tappar ständigt värme, vilket de knappast kompenserar med hjälp av riklig mat.
De flesta däggdjur är emellertid närmare exakt deras storlek än våra - speciellt när man tänker på att den genomsnittliga kroppsvikten för däggdjurspopulationen är 40 gram. Våra sofistikerade cellbaserade smarta kroppar är högst upp och relativt få däggdjur är större än oss.
Det råder inget tvivel om att vi befinner oss precis vid denna kant, på denna gräns mellan den biologiska lilla komplexa mångfalden och de biologiskt stora begränsade möjligheterna. Föreställ dig nu vårt planetariska system. Vår stjärna tillhör inte den vanligaste typen av stjärnor (de flesta av dem är mindre i massa), våra banor är för närvarande mer rundade och mer avstånd från varandra än i de flesta andra exoplanetära system, och vi har inga super- Jorden bland våra planetgrannar.
Denna typ av värld, flera gånger större än jorden i massa, representeras i minst 60% av alla system, men i vårt solsystem är det inte. Om du var arkitekten för planetens system skulle du anse att vår design var isolerad, något annorlunda än normen.
Några av dessa egenskaper baseras på det faktum att vårt solsystem har undgått en större dynamisk omorganisation som de flesta andra planetariska system inte har lyckats göra. Detta betyder inte att vi är säkra på en lugn och fredlig framtid - de senaste gravitationssimuleringarna visar att vårt system inom flera hundra miljoner år kan påverkas av en mer kaotisk period.
Och på ytterligare fem miljarder år kan solen expandera med en krampaktig åldringsperiod och förändra planeternas bestrålning avsevärt. Alla indikatorer indikerar att vi nu lever i en mellanliggande eller gränstid, i övergångsperioden mellan stjärnplanetära ungdomar och den kommande svaghetsperioden.
Vår relativt lugna existens under denna period, om vi utvärderar den i efterhand, är inte förvånande. Som med andra aspekter av vår situation bor vi på ett tempererat ställe, inte för varmt och inte för kallt, kemiskt är vår miljö inte för aktiv och inte för inert, den är inte för flyktig och inte helt saknad av förändring.
Dessutom är det idag uppenbart att detta astrofysiskt lugna område sträcker sig långt utanför gränserna för vår galax. Ur universums synvinkel som helhet finns vi i en period som är mycket äldre än den snabba och våldsamma perioden i ett ungt, hett utrymme. Överallt saktar processen med att göra stjärnor. Andra solar, andra planeter bildas med en genomsnittlig hastighet som bara är 3% av vad som var under perioden 11 till 8 miljarder år sedan.
Dessa stjärnor börjar sakta röra sig genom universum. Och om vi pratar i stora kosmologiska termer var det bara 6 eller 5 miljarder år sedan som vårt universum började sakta ner efter Big Bang. Mörk energi, född ur vakuumet, accelererar rymdtillväxten och hjälper till att undertrycka utvecklingen av större kosmiska strukturer. Men det betyder att livet i slutändan är dömt i en avskild framtid till tråkig isolering i ett alltmer obegripligt universum.
För samman alla dessa faktorer, och sedan blir det tydligt att vår syn på det inre och yttre rymden är allvarligt begränsad. Detta är en vy från en smal stolpe. I själva verket skulle vår intuitiva förståelse av slumpmässiga händelser och vår vetenskapliga utveckling inom statistisk inferens kanske vara annorlunda om det fanns andra omständigheter inom ordning eller kaos, rum och tid.
Och det faktum att vi är för långt borta från något annat liv i rymden - till den punkt där vi ännu inte har kunnat fånga några av dess tecken eller stöta på det - har en stark inverkan på de slutsatser vi kan dra.
Slutsatser
Vi har gott om bevis för att stödja Copernicus grundidé att vi inte är något speciellt. Men samtidigt finns det flera karakteristiska drag i vår miljö som indikerar motsatsen.
Några av dessa kvaliteter har gett upphov till den så kallade antropiska principen, enligt vilken vissa grundläggande konstanter i naturen verkar vara "finjusterade", och därmed balanseras universums grundläggande kvaliteter nära de gränser som gör att jorden och livet på den kan existera. Om du går för långt i någon riktning kan kosmos natur vara helt annorlunda.
Ändra den relativa tyngdkraftsstyrkan något, då kommer stjärnor antingen inte att bildas alls och inga tunga element kommer att uppstå, eller så kommer stora stjärnor att skapas och försvinner sedan snabbt och lämnar inga spår, inga ättlingar, ingen väg till livet. Och om du ändrar de elektromagnetiska krafterna kommer de kemiska bindningarna mellan atomer att vara för svaga eller för starka för att skapa en mängd olika molekylära strukturer som tillåter en sådan otrolig komplexitet i rymden.
Spiralgalax NGC 4258
Vad tycker vi om alla dessa motsägelser? Enligt min mening driver fakta oss mot en ny vetenskaplig uppfattning om vår relativa plats i rymden, för att avskilja både kopernikanska principer och antropiska idéer, och jag tror också att den nya tanken kommer att bli en självständig princip. Kanske kan vi kalla den nya tanken för den kosmo-kaotiska principen, plattformen mellan ordning (den ursprungliga betydelsen av det grekiska ordet kosmos) och kaos.
Dess väsen ligger i det faktum att livet och i synnerhet livet på jorden alltid kommer att vara på platsen för kontakt eller vid korsningen av zoner som bestäms av sådana egenskaper som energi, plats, skala, tid, ordning och kaos. Faktorer som stabilitet eller kaos hos planetbanor, eller variationer i klimat och geofysik på planeten, är direkta manifestationer av dessa egenskaper.
Om du rör dig för långt från dessa gränser kommer balansen att flyttas mot ett ogynnsamt tillstånd. Vårt liv kräver rätt kombination av ingredienser, en blandning av lugn och kaos - rätt kombination av yin och yang.
Att närma sig dessa gränser gör sådana förändringar och variationer möjliga, men man bör inte komma för nära för att inte ständigt överväldiga själva systemet. Det finns uppenbara paralleller med begreppet en beboelig zon (Goldilocks-zonen), enligt vilken temperaturen i rymdmiljön för en planet runt en stjärna ligger i ett smalt spektrum av parametrar.
Om du inte tar hänsyn till livets existens kan den beboliga zonen vara mycket mer dynamisk - den behöver inte fixas i tid och rum. Snarare är det en ständigt rörlig, vridande och böjande bana med många parametrar - som vägarna som läggs av en dansares armar och ben.
Om den universella regeln är att livet bara kan existera under dessa förhållanden, uppstår några spännande möjligheter om vår betydelse i rymden. Till skillnad från Copernicus stränga idéer som betonar vår medelmåttighet och därför antar ett stort antal liknande förhållanden i rymden, minskar uppfattningen att livet kräver justering av olika och dynamiska parametrar antalet alternativ.
Livsmöjligheterna till följd av detta nya tillvägagångssätt skiljer sig också från antropiska idéer, som i sin mest radikala del förutsäger bara en plats för bildandet av liv i rum och tid i allmänhet. Istället definierar den nya regeln var liv ska uppstå, liksom den potentiella frekvens med vilken den gör det. Den nya regeln klargör de grundläggande egenskaper som är nödvändiga för att leva inom ett möjligt utrymme med många valsande parametrar - det indikerar de bördiga zonerna.
Denna typ av regel om livet förvandlar inte nödvändigtvis levande varelser till någon speciell del av verkligheten. Biologi är förmodligen det mest komplexa fysiska fenomenet i vårt universum - eller något universum som följer vissa lagar. Men detta är kanske den yttersta gränsen för en funktion: en extremt komplex naturlig struktur som uppstår under rätt förhållanden, vid gränsen till ordning och kaos.
Och denna formulering av begreppet var exakt livet är inbäddat i det större naturschemat leder direkt till gåtans lösning, där det finns övertygande, men inte slutgiltiga argument om att livet borde finnas i överflöd och att det är extremt sällsynt.
Caleb Scharf
Caleb Scharf är chef för Interdisciplinary Astrobiology Center vid Columbia University; han är författare till Gravity's Engines: How Bubble-Blowing Black Holes Rule Galaxies, Stars, and Life in the Cosmos.