寻找外星人:利用鲸鱼鸣叫和无线电波(图)

寻找外星人

北京时间7月18日讯,外星文明搜索计划(SETI)可以说自1896年就已开展,尼克拉·特斯拉(Nikola Tesla,现代交流电系统的发明者)提议无线电波传送可以用来跟外星智慧生物交流。1899年,特斯拉实地检测到与地球上电磁风暴不相容的信号,特斯拉的一些数据表明,他可能捕获了木星的“风暴”(木星等离子体环面能释放出强烈的电波波动,因此木星是小型脉冲星球)。

之后,1924年8月,当时火星处于离地球较近的轨道,美国海军气象天文台要求电波每小时停发五分钟,配有无线电接收器的飞艇就能接收来自火星的信号。

当代的外星文明搜索计划始于1959年,当时菲利普·莫里森(Philip Morrison)和朱赛普·柯克尼(Giuseppe Cocconi)在自然杂志上发表文章指出可以利用无线电天线探测到外星智慧。1960年,弗兰克·特莱科(Frank Drake)利用无线电波望远镜实施了第一个SETI,他利用1.42GHz带频400 kHz带通的电磁波接收来自鲸鱼座天仓五和波江座天苑四的信号,也就是说40万个不同的SETI频道在这个频谱范围内。这个频段也被称为“水洞”,水蒸气在这一频段内不能被很好的吸收,(因此有水存在的星球可能会向宇宙射出该频率的波)。

特莱科发明了系统地探索地外生物的方法,采用一种名为“特莱科等式”的工具。N = R* fp ne fl fi fc L,n表示星际交流的文明数量,其他解释如下:R*表示适宜人类居住的星球,通常表示如太阳类的恒星,但是过去二十多年的研究表明,个头较小的红矮星也适宜居住。然而拥有液态水的行星必须与各自恒星保持适当距离,并且总保持一面朝向恒星。红矮星大约占星球总数的75%,对于选取SETI目标星球意义重大。

符号fp 是可居住恒星系中有行星的分数。自从2009年3月发射以来,NASA的开普勒望远镜已经判断出不同大小的行星出现的频率。在SETI研究所,已经定位并“收听”所有已探测到的适宜居住的行星。开普勒最初计划在星系中适宜居住的范围内检测地球般大小的行星。

符号fl表示生物开始出现的潜在可居住星球的分数。因此需要新一代轨道望远镜来探测适宜居住行星大气层中的氧,这是光合作用信号。第一批地外探索目标可能是寻找森林,地球已经被森林覆盖4亿年了,而电波才100年左右。

符号fi则表示拥有智慧的生物体分数。这是特莱科方程中最难定义的变量。最基本的问题是,如何定义智慧?智慧有很多种,就SETI的目的而言,似乎表示交流的智慧。

从地球生物特性开始

如果想找到地外生物,可能要从地球生物的极限开始研究。因此,研究员要跑到南极无冰的峡谷,或者加利福尼亚莫哈维沙漠去研究生物到底多么顽强。

同样,在我看来如果想要从太空中检测到非人类传递的信息,也应该学习地球上非人类的传播系统。所有动物植物都会交流。但是科学家要如何分析和判断传播系统的复杂性(假设,交流智慧能用信息的复杂性来衡量)?

研究员如何判断信息的复杂性?数学领域有一种工具可以办到,它最初是用来计算电话线中传输的信息量,称之为信息理论。该学科是1949年贝尔实验室的克劳德·香农开发的,至今仍广泛使用,如果你发邮件时压缩或解压缩文件,就在应用信息理论。

我们的团队应用信息理论研究宽吻海豚的交流系统,测算利用哨声传播时的信息量(由信号频率决定)。

早期的类似研究称为齐夫定律,一位语言学家将小说中英语字母出现的频率做对数阶频率图,因此得名。他得到一个斜率为-1的45°斜线,因此证明出最常用的字母要比次常用字母频率高出10倍,比第三常用高出100倍。他也画出了中国汉字、英语单词和俄语音素的频率图,结果是惊人的相似。

齐夫定律说明适当分配信号频率就足以形成一门语言,但是这不足以彰显特点,因为任何语言都能有同样频率图。我们对宽吻海豚声音绘制了频率图,得到同样的结果。这意味着他们的哨声中也可以包含复杂的规则(语言学家称之为句法)。而且婴儿发声的齐夫斜线就没有45°那么陡峭(即婴儿语言规则较为简单—译者注)。但是在我们记录海豚声音的设备中,当婴儿海豚出生后,他们的声音频率跟人类的婴儿一模一样。可以看到他们最终会学会使用斜率是-1的语言。

我们也用同样方法测试座头鲸,部分原因是因为他们社交群体比较复杂,也因为他们跟海豚一样更多的利用声音交流。而且座头鲸的交流系统要比人类早几百万年。

这些动物处理噪声的方法与人类十分相似。在有电噪干扰的电话上说话时,说话人会放低语速,确保听者理解全部语句。座头鲸在有船舶噪声时也会降低交流频率。他们吐出泡沫困住鲱鱼时会交流,我们能够计算出鲸鱼需要降低多少频率来补偿船舶噪声,结果显示他们只会补偿60%的噪声,“说话”变慢,延长了传输信号的总时间。

这是怎么回事呢?类比一下,当你的复印机墨水不足打出来的文件不清晰,你可以用后语法规则拼写补充缺失的字母和单词。只要在一排中缺失的不多,就可以利用规则和上下文恢复缺失词语。

座头鲸一定是有某种句法,因为它们没全程听完就理解了信息的精髓。我们还没有采集到足够的数据来判断是否信息无序量(复杂性或“规则”结构)达到了人类语言的复杂水平,但是我们证实鲸鱼的信号存在“条件概率”。通俗说法是这些动物的交流系统有结构复杂性。

我也将信息理论应用在棉花和黄蜂之间的单向交流中,棉花作物告诉黄蜂何时“登陆”那些植物身上有黄蜂捕猎的虫子。这不再是内部交流,而是“跨界”交流了!

下一步如果将信息理论应用到采蜜蜂会非常有趣,它们的摇摆舞步会利用太阳导航。对SETI分析,蜜蜂有三项必要因素—一个交流系统,使用工具(六边形蜂窝),以及天文(它们有时候利用满月发现蜜源)。

光学SETI

除了电波探索,光学SETI现在也广泛应用。电波寻找窄带宽的传播(能把信号改变一次,重新发出),而自然界显然不能生产窄带宽信号。光学SETI可以检测毫微秒级光波。技术可以产生这类信号,自然界不能。

先进的文明可以利用毫微秒级的光波在星际之间交流吗?可能会的,特别当它的“太阳系”能发射激光时。在地球的光源系统中,在火星的大气中存在一种自然发射的电磁镭射波,或者成为“微波激射”。火星的大气层中二氧化碳总是集聚太阳射入的能量,如果在火星附近用镜子采集这种自然集聚的活动,便可以免费发射星际交流信号。不过,人类还需要几十年的发展才能利用这种方法交流。

其他SETI研究从戴森(Dyson)球体寻找多余热量。普林斯顿大学物理学家戴森最早提出,一个文明可能会在恒星辅件放置卫星似的球体或其他结构,尽可能捕获恒星上的能量。球体可能是地球到太阳这么远的辐射距离,这样的球体核心可能比地球这样的小行星容纳更多“外星人”。(可能是地球表面面积的5亿5百万倍。)

疯狂猜想

SETI另一项提议很有趣:地球生物可能并不是起源于地球。一些人认为生物可能来自火星,火星上的彗星效应可能会将简单的细菌组织带到地球。(如果成立,地球人就变成了“火星人”。)

但是另一个SETI新想法更疯狂:在人类染色体中存在一种SETI型“名片”。为了排除干扰,必须要证明在人类(或其他物种)染色体中这类特殊的区域并不是非随机的(任何有规则的结构都是非随机的),但是这类染色体区域与形成或改变当前人类基因组的过程并不相容。如果人类基因组的一片区域与其他任何基因组不同,也不可能由自然选择产生,那么它有可能是拥有智慧的史前人类产生的。我认为信息理论非常有用,正如人们或许可能孤立基因组中某个结构不寻常的片段。

当思考SETI的努力时,一定要思考非常先进的文明会做什么。因此不可避免地想到最新的信息转移—如量子传动。目前为止量子光学实验室,已经证明信息可以即时地以任意距离传动。但更准确的说,“量子信息”能即刻任意距离传输,因为必须用一种“钥匙”解码信息。但是这种钥匙不能比光速传播的更快。或许你会好奇第一个SETI信息是否会来自外太空或出现在我们的量子计算机上。

寻找外星智慧是一个令人向往的领域,它包含多种学科,从天体物理到动物交流,从古生物学到量子力学。目前,电波望远镜只是冰山一角。

1870年出版的《我们的世界之外》讲述太阳系生命,其中理查德·普罗科多强调17世纪法国就在探索“多元世界”,讨论其他星球的可居住性。他说公众对宇宙最大的兴趣是在广袤的空间中需找生命。

发表评论

:?: :razz: :sad: :evil: :!: :smile: :oops: :grin: :eek: :shock: :???: :cool: :lol: :mad: :twisted: :roll: :wink: :idea: :arrow: :neutral: :cry: :mrgreen: