目前我们仅知道地球上存在着生命，但是借助于一种新型太空望远镜，我们或许能够捕捉到遥远行星传来的生命信息，从而改变这一观点。
茫茫宇宙中，人类也许并不孤独。长期以来，人们对这种可能性一直持有浓厚的兴趣。在1600年，伽利略利用他发明的望远镜指向夜空，发现了月球上的环形山，并且注意到其他行星和地球一样都是球形的，大约60年之后，其他天文学家发现了火星的极地冰帽，同时也注意到它表面的颜色变化。当时，他们认为这是由于火星上的植物随季节变化而造成的（现在人们知道这是尘暴的结果）。在本世纪下半叶，无人宇宙飞船拍下的照片显示出火星上已干涸的河床形成的所谓“运河”，这使人们联想到那里曾经存在过生命。但是20世纪70年代，由“海盗号”宇宙飞船从火星带回的土壤样本却没有提供任何生命存在的证据，而且，就太阳系其他行星的现状来看，都不可能有类地生命存在。但是，近来人们已经把寻找外星生命的范围扩展到太阳系以外的行星。经过多年观测，天文学家已经发现一些行星存在生命的证据，这些行星围绕3颗类似太阳的恒星旋转。这些或者其他恒星的行星上有可能已经演化出生命体。寻找外星生命看来是一项艰巨的任务，但在不久的将来，借助于先进的设备，人们一定可以弄清楚遥远行星上有否类似地球上最原始形态的生命存在。
人们利用目前太空中直径最大、功能最强的哈勃望远镜可以清晰地辨认出火星山脉。但是要使照片清晰到足以显示遥远行星的地理特征，就需要一大批直径更大的望远镜。诚如康奈尔大学的卡尔 · 萨根（Carl Sagan）所指出的：除非做严密细致的分析，地球的照片本身并不表明地球上存在着生命。人们能够借助于飞往其他星系的无人宇宙飞船得到详细的照片。但是由于地球和其他行星的遥远距离，飞船到达那里并送回照片，需要很长的时间，这是一个大难题。
然而，对行星拍照并不是研究的最佳起点。相反，天文学家们已经依靠光谱分析技术获取了所需要的大量信息。光谱分析可以把天体发出的光作为它们独特的标志加以研究，从面对诸如表面温度、气压、化学构成等特征有所认识。
分光器最容易捕捉到的就是外星生命发出的用于星际交流的无线电信号。这完全不是自然现象，它正是我们用以寻找外星智能生命的最佳信号。然而，即使最灵敏的扫描仪器也还没有从其他星系发现过这种信号，这说明星际间生命的无线电交流是很困难的。
但是，其他行星上的生命目前也许只处在原始阶段，尚无星际交流的能力。因此我们需要寻找的是那些能够证明最原始生命存在的证据。为了尽快找到行星以及获得这些证据，我们认为应该制造一个设计更新颖、功能更强大的天文望远镜。
人们通过远距离观测可以发现地球最原始的生命改变地球环境的迹象。化石表明在地球形成的最初10亿年里，小行星撞击地球而产生的大爆炸一结束，原始生物如细菌、海藻就已广泛分布在地球的大部分地区了。这些生命是以后20亿年里所有其他生命的先驱。因此，即使其他行星上存在生命，也很有可能正处于这种无法进行星际交流的阶段。
海藻和大气
地球上数量巨大的蓝-绿海藻并不能传递无线电信号，但它们都是优秀的“化学工程师”。随着海藻分布日益广泛，大气中氧气的含量就会大大增加。制造氧气是碳基生命最基本的活动：即使最原始的碳基生命也会把水、氮和二氧化碳当作养料吸收，同时向空中排出废物——氧气。氧气的化学性能比较活跃，如果没有藻类以及树（它是在地球日后的演化过程中产生的）不断制造氧气进行补充，氧气就不可能大量集结在一起。因此，大气中大量氧气的存在，本身就是某些碳基生命可能存在的标志。
氧气使行星的太空辐射出现显著的特征。例如，到达地球表面的太阳光被大气反射到太空时，氧气就会吸收太阳光的某些成分。因此用光谱分析技术来研究大气反射后的太阳光，就能证明氧气是否存在。
1980年托比 · 欧文（Toby C. Owen）以及美国纽约州立大学的斯通尼 · 布鲁科（Stony Brook）建议在行星反射的红色光中寻找氧气存在的信号，当然，这也是生命存在的标志。后来萨根在1993年撰文指出“伽利略”号空间探测器已经得出了地球反射的红色可见光中氧的光谱。事实上，至少5亿年来地球的热辐射就一直带有这种生命存在的明显信号。
当然，在一个没有生命的行星上也许有非生物制造的氧气，观测时必须始终考虑到这一点，另外，生命也有可能建立在其他化学基础上，这样它就不会像碳基生命那样制造氧气。但是迄今为止的科学成就使我们相信外星生命会有着和我们一样的化学构成。碳是非常合适的生命基本构成材料，它在宇宙中含量丰富，而且目前还不知道有什么其他元素能够建构大量复杂而稳定的分子以形成生命。
寻找另外的地球
我们这个拥有大量液态水的行星无疑是适合生命存在的。水作为溶剂，使生物化学反应得以进行，并为生命体提供它们所需要的氧气。大小以及与恒星的距离都和地球十分相似的行星，也许是外星系中碳基生命最合适的“家”，这主要是因为液态水只能存在于这种天体上。行尾与恒星的距离决定了它的温度——太热或太冷都不会有液态水存在。
我们能够很容易计算出“黄金轨道”（Goldilocks orbit）的位置——在这个距离上正好能够出现地球上生命产生和延续所需的条件。对于一个体积大、温度高，比太阳亮25倍的恒星来说，类地行星就应该位于金星相对于太阳的位置；而一个小且温度低，亮度只有太阳10%的恒星，它的类地行星就应该在水星附近。
但是合适的位置并不能说明行星的引力能否吸引海洋和大气。如果认为与恒星的距离是唯一决定因素的话，那么地球的卫星——月亮也应该有液态水。事实上引力的大小取决于天体的体积和密度：月亮比地球小而且密度也小， 它的引力就小得多。任何类月天体即使有水和大气，也会散逸到太空中去。
相反，巨大的行星拥有强大的引力，能从太空中吸引气体。科学家们相信木星正是通过这种方式才逐渐形成那巨大的氢-氮大气层的。我们目前所知道的生命形式不可能在这种巨大的行星上存在。
尽管我们对于有可能存在生命的行星的特征已经相当清楚了，但是寻找任何与恒星距离适中的行星的努力仍未成功。天文学家指出探测这种天体的最佳途径不是观察行星本身，而是它们围之旋转的恒星 :通过观测恒星轨道或光辐射上的微小变化，就能判断行星是否存在。实际上，所有的间接观测技术只能揭示天体的重量和构成，却不能弄明白它是否存在着生命。
观测红外线
显而易见，我们需要一项新技术，以详细揭示行星的其他特征。上文我们指出研究行星的可见光辐射可以判定某种分子（如维持生命存在的氧）存在与否。但是从环绕恒星运动的行星所反射的光中区分出微弱的氧信号，即使与太阳系近在咫尺，也是异常困难的。
例如，恒星比它的行星要亮100亿倍。所以，寻找行星，就如同在万里之遥的探照灯旁边寻找萤火虫一样困难。即使我们能够探测出行星反射的光，在它的光谱中任何与氧有关的信息都将微弱得难以辨认。面对这个难题，1986年我们和现在香港大学的安德鲁 · 陈（Andrew Y. S. Chen）一起建议观测行星发出的中等波长的红外线（它的波长比红色可见光的波长要长）来寻找行星和外星生命。这种红外线含有的光子要比短波光多40倍。而且，恒星的这种长波光仅比行星的强1000万倍，只是二者可见光亮度之比的10-3。
现在已知，有3种化合物必然会同时出现在有生命存在的行星上——臭氧、二氧化碳和水——它们都很容易通过光谱分析而辨认出来。另外，太阳系行星的红外线辐射研究也为这项技术提供了有力的支持：只有地球辐射的红外线包含有生命的信息，虽然地球、火星和金星的大气中都含有二氧化碳，但是地球的红外线还显示了水和臭氧的信息。
我们需要何种望远镜才能找出类地行星并接收到它们的红外辐射呢？今天的一些地基望远镜可以接收到恒星的强烈红外辐射，但是地球大气和望远镜本身所散发的热量会严重干扰对行星那微弱红外线信号的观测。即使在南极我们也无法得到一个哪怕是极其模糊的照片，要做到这一点，望远镜至少要处于零下225℃的环境中。更困难的是，其他行星的光辐射穿过地球大气层时，就会带有地球的臭氧、二氧化碳和水的信息，从而影响对其他行星的观测。显然，望远镜必须移到太空中去。
为了把行星的辐射和恒星的辐射区分开来，如果使用目前的这种望远镜，就必须把它建造得比现在所有的地基或太空轨道式望远镜都大得多。因为光不可能集中成为一个清晰的点，从太空远外某一点来的光至多能成为一个带有微弱光圈的模糊的点。即使再好的望远镜也无法得到良好的照片。如果恒星的光圈和行星的光圈有重合的话，那么我们就不可能从中找出行星了。理论上我们是可以制造某种望远镜，以得到巨大的并且达到所要求的清晰度的照片。但是这种望远镜的体积之大，足以宣告这种方案的不可行。
我们能够预测望远镜的技术性能，因而也就知道了能够得到的照片的质量。例如，为了监测一颗30光年之外的恒星类地行星的红外辐射，我们需要一个直径大约60米的空间望远镜。在现有的技术条件下，这种巨大的装备所需要的费用足以同现有的国债相媲美。而且，甚至天文学家都公认这种规模的望远镜是不可能建成的。
重新设计望远镜
为了制造一个大小合理的望远镜来探寻那些小但也许存在着生命的行星，我们必须做一些技术上的改进。斯坦福大学的罗纳德 · 布瑞斯威尔（Ronald N. Bracewell）早在23年前就提出了一个有价值的思路：他演示了如何用两个相距20米、直径为1米的望远镜相互配合，探寻大小、温度都和木星相近的行星也指出这两个望远镜单独使用所得到的照片都是模糊难辨的，但是两个联结在一起，就可以使人们观测到遥远的空间。
布瑞斯威尔认为把两个望远镜都聚焦于同一个恒星上，对从第一个望远镜进来的光进行处理，使它的波峰、波谷正好和从第二个望远镜进来的光相反，再把它们重叠在一起，从恒星来的光就会相互抵消（当然光并没有消失，能量仍然存在。从恒星来的光只是被反射到望远镜的一个独立部分）。科学家们倾向于这种装置， 因为它利用光波的相互干扰来揭示光源的特征。
在布瑞斯威尔的望远镜中，只有当恒星同两个望远镜的中心连线垂直时，恒星的图像才会变得模糊。在这种情况下，每个望远镜接收到的恒星的光都是完全一样的。如果我们在空中不断移动望远镜，使恒星出入于这条垂直线，它们在望远镜中的图像就会闪烁不定。
即使距离恒星十分近，当恒星同装置成一条直线时，行星也不会在这条直线上。两个望远镜将会在相距十分短暂的时间里分别记录下行星的光。所以光将不会相互抵消。如果我们使恒星的光相互抵消以后，望远镜中依然有光闪烁的话，我们就可以知道在靠近太阳的地方存在着某种另外的红外辐射源——也许就是一颗行星。我们可以通过使望远镜围绕装置和恒星的连线旋转来分析这种信号，当望远镜旋转时，图像会改变强度，行星将会显示出规律性的变化。
在提出这些设想后，布瑞斯威尔认识到利用这个装置寻找类木行星的主要困难不在于行星那近在咫尺的恒星的强光，相反，在于作为背景的太阳系“黄道带天域”（zodiacalglow）的热量干扰。背景的光线太强，行星的微弱信号就难以观测到。要获得任何与行虽有关的信号，就需要透过这种炽热的背景观察至少1个月的时间。
当我们试图调整布瑞斯威尔的设计，以寻找比木星更小、轨道更靠近恒星的行星时，我们发现了一个问题：它不可能完整精确地将恒星光抵消——阴影部分相当小，在阴影四周仍有缕缕光线。而当我们试图寻找像地球这种体积小亮度又不高的行星时，任何多余的光都是一个巨大的障碍。
为了克服这些困难的，包括我们在内的许多研究人员，一直在努力寻求改进的办法。1990年安格（R. P. Angel）建议把4个望远镜按菱形放置，以便能更有效地抵消恒星光。但是为消除黄道带天域的强光，每个望远镜的直径需要8米左右。针对这一难题，艾伦 · 勒格（Alain Leger）及其巴黎大学的同事们接着提出了非常实用的解决办法：把望远镜安放在大约木星的位置，使其围绕太阳旋转。这样，望远镜的温度自然就会降低，并且使黄道带天域中的光亮度降低到最小程度。因为减少了背景中的光，空间轨道上的装置就可以很小：4个直径1米的望远镜就可组成一个灵敏度相当高的装置。然而，这个装置有个严重的缺点：因为它能非常有效地使恒星的光相互抵消，有时也会忽视恒星近处的行星。
1995年，美国航空航天局（NASA）从研究人员中征求探测外星系的研究方案、NASA选择了3支队伍，以探索发现外星系行星的不同途径。我们这支队伍包括笔者、布瑞斯威尔、勒格和他的巴黎天文台的同事金 · 马瑞 · 瑞特（Jean Marie Mariotti）以及其他几位科学家和工程师，其中我俩在亚利桑那大学就探讨了一些新研究途径的可行性。我们已经设计了一个把两对望远镜安放在一起的装置。
这种装置要十分有效地抵消恒星的光，就需要大约30~70米长。它有一个重要的改进：所接收到行星的信号是复杂而又独特的。通过适当分析，我们可以运用从中得到的数据来重新勾勒出恒星系统的模型。当我们使它按一定轨道运动时，每天它将对准不同的恒星且能返回目标系统作更精确的观察。
如果在附近的一个恒星系里运用这种设备观测太阳系，将会找出金星、地球、火星、木星、土星，而且可以凭借所得数据来分析、判定每个行星大气的化学组成。在太阳系使用它，会很容易找到刚刚发现的47Urace Majorisi星系的行星，更重要的是，这种装置能够鉴定出其他星系的类地行星，用其他办法就很难做到；而且这种装置能够检测出行星是否拥有二氧化碳、水和臭氧。
建造这样的仪器将是一项巨大的工程，也许还是国际性的。而且这个装置本身也有待进一步完善。我们估计建造费用少于10亿美元，仅占NASA下一个10年空间科学研究经费的10%。发现外星生命是空间探索中的巨大进步，NASA负责人丹尼尔 · 戈登（Daniel S. Goldin）说，发现生命，“将会改变一切——没有任何人类的行为和观念不被这一发现所改变。”
显而易见，获得有助于这一发现的技术已经指日可待了，人类很快就能回答这个世纪性的问题：“地球上的生命在太空是孤独的吗？”
[Scientific American，1996年第4期］