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回顾搜寻外星文明历程演变 德雷克方程已被证明

http://www.kexue.com 2013-07-08 08:57:46 新浪科技  发表评论


这张艾伦望远镜阵列的图片由SETI协会的天文学家赛思·肖斯塔克拍摄。SETI即“地外智慧生物搜寻”

弗兰克-德雷克和一个小天文爱好者在利克天文台

  在某种意义上,地外智慧生物搜寻(SETI)可以说起源于1896年,当时尼古拉·特斯拉(现代交变电流电气系统的设计者)就提出可利用无线电传输的方式搜寻地外智慧生命。1899年,特斯拉确实检测到与地球电风暴完全不同的信号。有人在检查了特斯拉的数据之后,认为他可能接收到了来自木星的“风暴”信号。木星的等离子体圆环会发射出强烈的射电流量,使木星看起来就像一颗微缩版的脉冲星。

  到了1924年8月,当火星到达下合位置(与地球在太阳的同侧且三者成一直线,这是一个世纪多时间内火星与地球距离最近的时候)时,美国海军天文台每隔一小时就静默无线电5分钟,以使一艘装有无线电接收器的飞船能够“倾听”来自火星的信号。

  现代的SETI真正开始于1959年,当时菲利普·莫里森(Philip Morrison)和吉乌斯皮·科科尼(Giuseppe Cocconi)在《自然》杂志上撰文指出,地外智慧生命或许可以通过无线电天线进行搜寻。另一方面,1960年,弗兰克·德雷克(Frank Drake)利用射电望远镜进行了首次SETI项目尝试,他对鲸鱼座τ星和波江座的天苑四进行了观测。天文学家推测,地外智慧生命可能会在400千赫的带通上使用1.420千兆赫的电磁频率,这意味着在这一频谱范围内可以存在40万个不同的搜寻频道。

  德雷克方程

  弗兰克·德雷克还提出了一个寻找外星文明的“德雷克方程”:N = R* fp ne fl fi fc L。方程中N表示具有星际通信能力的外星文明数量,其他一些变量的意义如下:

  R*表示适合居住的恒星系统的数量,通常指类似太阳的恒星,但过去二十年来的研究显示,较小的红矮星系统中也可能存在适合生命居住的行星。然而,如果这些行星上存在液态水,那它们与恒星之间的距离就不能太近或太远。红矮星占恒星总数量的75%,这些研究结果大大扩展了地外智慧生物搜寻的目标恒星数量。

  参数fp表示可居住恒星系统中真正具有行星的概率。自从2009年3月份发射以来,美国航空航天局(NASA)的开普勒望远镜已经基本确定了不同大小的行星出现的概率。这对搜寻地外文明的工作来说是一个非常了不起的成就。SETI协会的天文学家已经锁定并“监听”所有在可居住区域内探测到的行星。开普勒望远镜的首要目标是探测体积与地球相近,且处于其恒星系统中可居住带的行星(即类地行星)。在可居住区域内寻找类地行星将为德雷克方程提供另一个参数:ne,即在某个给定恒星系统内类地行星的数量。

  参数fl表示在具有可居住潜力的行星上真正出现生命的概率。要获得这一参数,需要借助新一代的轨道望远镜,以对可居住行星大气层中的氧气等物质进行探测。氧气是存在光合生物的标志之一。天文学家估计,在类地行星上首先可能被探测到的生物群体是森林——在地球上森林已经存在了超过4亿年。

  参数fi表示生命体发展出智能的概率。这是德雷克方程中最难以定义的参数,它还引发了许多更基础的问题,如什么是智能?“智能”的定义有很多种,但就地外智慧生物搜寻的目标而言,“智能”意味着可以进行通信、交流,这也是人类所希望遇到的。

  信息论的应用

  要寻找外星生物,我们可以先从地球极端环境下的生物学研究(如美国航空航天局的天体生物学计划)开始。许多研究者已经深入南极的干燥山谷,或加利福尼亚州莫哈维的沙漠地带等地,探索生命在极端环境下的生存状态。与此相似,如果我们想从太空中获得非人类的通信信号,那第一步应该从研究地球上众多的非人类交流系统开始。几乎所有的动物都具有交流能力,但科学家如何才能分析并确定这些交流系统的复杂性呢?

  假设交流系统的复杂性可以用信息的复杂性来衡量,那这就涉及到一个称为“信息论”的数学领域。该理论最早用于测定通过电话线传输的信息量。贝尔实验室的克劳德·香农(Claude Shannon)在1949年提出了信息论,经过数十年的发展,现在该理论已经在众多领域广泛应用。

  劳伦斯·多伊尔(Laurance Doyle)是SETI协会宇宙生命研究中心的主要研究者,同时也是美国航空航天局开普勒任务科学组的成员。他和来自加州大学戴维斯分校的布伦达·麦考恩(Brenda McCowan)、肖恩·汉瑟(Sean Hanser)决定采用信息论的方法对瓶鼻海豚的交流方式进行研究,观察它们的声音交流系统能传送多大的信息量。信息量的大小取决于信息发生频率的分布,即“信息熵”。

  有关这方面研究的一个早期例子是齐夫定律(Zipf's Law)。该定律以一位哈佛语言学家的名字命名,他将小说中出现的英文字母按出现频率(对数刻度)进行绘图,得到一条差不多45度,斜率为-1的直线。换句话说,最常出现的字母比次常见的字母出现频率高10倍;而次常见字母的出现频率则是第三常见字母的10倍,并以此类推。他还对中文字符、英语单词和俄罗斯音素等进行了类似的分析,也都获得了斜率基本为-1的频率分布图。

  这些结果显示,齐夫定律似乎可以用来描述语言中必要成分的分布。科学家用瓶鼻海豚的声音信号制作了齐夫斜率图,获得了斜率为-1的直线。这意味着海豚的声音交流系统可能包含着复杂的关系规则(在人类的交流系统中,这种规则被语言学家称为“语法”)。对婴儿咿呀学语时的声音信号进行分析则发现,其斜率比齐夫定律中的平缓得多。在海豚幼崽中也记录到了与人类婴儿相似的声音频率分布图。这告诉我们,在海豚很小的时候,它们也会咿呀学语,到成熟时才掌握“语言”。

  科学家在座头鲸身上进行了同样的研究。座头鲸是具有复杂社会性的动物,它们与海豚一样,也十分依赖声音交流系统,而更少依赖姿势或面部表情。在人类之前的几百万年前,座头鲸就已经发展出了全球性的交流系统。

  座头鲸对噪声的处理方式也与人类相似。当我们拿起电话时,如果出现杂音,通话者就会减慢说话速度,保证对方能听清楚所有用词。科学家发现,当座头鲸受到船舶噪音干扰时,它们会减慢向彼此发出声音的频率。它们还会在制造气泡围捕鱼类的同时,彼此进行交流。不过,科学家的计算结果显示,座头鲸声音频率的减慢,最多只能抵消60%的船舶噪音,而它们的交流时间也会因此变长。

  这种现象意味着什么?我们可以借用一个类比来说明。面对一份缺失部分字母和单词的文本,我们仍可以运用强大的语法组织能力,将文本的信息提取出来。在座头鲸中可能也存在着类似的“语法”,因为它们即使没有听到完整的声音,也能够获得足够的信息。目前科学家还没有足够的数据来对座头鲸和人类的“信息熵”进行对比,但可以肯定的是,这些鲸鱼的交流系统具有很高的结构复杂性。

  信息论也可以应用在单程交流系统中,如棉花等植物与黄蜂的交流。棉花能够告诉黄蜂哪一株植物可以停留(植物上拥有作为黄蜂猎物的虫子)。虽然这还不是不同星球间的交流,但这种不同生物界之间的交流,已经是科学家目前所观察到最接近的了。

  将信息论应用在蜜蜂身上也很有趣,它们的“摇摆舞”通信系统涉及利用太阳进行导航。蜜蜂拥有SETI分析中的三个重要要素:一个交流系统;利用工具(建造六角形的蜂巢结构);能运用天文学(利用太阳,有时是满月来寻找蜜源)。

  更多的尝试

  在利用无线电进行搜索的同时,用光学手段搜寻地外文明的尝试也越来越多。无线电SETI搜寻的是窄带传输的信号,自然界显然无法产生这种信号。光学手段SETI则依赖于纳秒级脉冲光的监测。只有人工的技术力量才能制造出这样的信号,就科学家目前所知,自然界中最快的脉冲光来自毫秒脉冲星。

  先进的地外文明是否会利用纳米光(或红外线)脉冲在星际间发射信号呢?也许会,特别是如果该文明所处的恒星系能方便地发射激光。在太阳系中,确实存在着天然的微波激光——存在于火星的大气层中。火星大气中的二氧化碳在受到太阳照射时,能够被激发产生强大的激光。如果我们能打造出围绕火星的镜子,便能利用这种天然的激光发射器,向星际间发射激光信号。当然,人类或许还要等上几十年或一个世纪,才能将这一想法付诸实施。

  有些SETI工作者还在搜寻从“戴森球”散发出来的多余热量。戴森球的概念源自美国普林斯顿大学的物理学家弗里曼·戴森(Freeman Dyson)的思想实验。他认为,如果人类文明能延续足够长的时间,到某一天对能量的需求就会膨胀到需要利用母恒星输出的“全部”能量,此时就需要建立能够尽可能收集母恒星能量的轨道结构。这种结构的半径与日地距离相当,里面可居住的人口比地球人口要多得多。

  另一个关于搜寻地外文明的有趣理由是:地球上的生命可能不是从地球起源的。有人认为,是彗星撞击火星时将简单的细菌生物带到了地球。另一个想得更远的观点认为,如果我们能在人类(或其他物种)的基因组中找到某个特定的区域,该区域不仅是非随机的,而且与塑造和改变基因组的过程毫不相容——即与基因组中其他部分截然不同,并且不能为自然选择等过程改变——那这一区域就可能来自某个非常先进的外星智慧文明。信息论或许在这里有用武之地,将基因组中不寻常的结构找出来。

  在进行外星智慧文明搜寻的过程中,我们还需要考虑比人类先进的文明会做什么,例如在信息传输中最新的技术——量子隐形传输。目前,量子光学实验室已经发现,信息可以在任意的距离间进行传输。更确切地说,是“量子信息”能够在任意距离瞬时传递,而接收者需要借助某种“钥匙”来解锁信息——但这种“钥匙”不能够以超光速传送。不过,人们还是在猜测,地外文明的第一条信息是来自太空的无线电信号,还是会显示在某台量子计算机上。

  对地外文明的搜寻是一个神奇的领域,包含了众多学科,从天体物理学到动物行为学,从古生物学到量子力学等。现在,射电望远镜是SETI的象征,但这仅仅是冰山一角。在1870年出版的一本描述太阳系生命的书《我们之外的其他世界》(Other Worlds Than Ours)中,英国人理查德·普罗克特(Richard Proctor)引用一本17世纪法国作品中的话说,公众对天文学的兴趣源自在宇宙中寻找生命的兴趣。几百年之后,这一点依然没有改变。

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