太空深處的智慧：搜尋宇宙文明
地球只是人類的搖籃，但是人類不能永遠(yuǎn)生活在搖籃里，他們起初小心翼翼地穿出大氣層，然后征服整個(gè)太陽系。
齊奧爾可夫斯基
宇航事業(yè)的祖師爺
如果在宇宙中確實(shí)存在許多與我們相似的智能生命，那么，我們怎樣才能找到他們的蹤跡？在我們當(dāng)中，肯定有許多人希望有一天能夠見到友善的外星人。大家會(huì)在相互的交流中學(xué)會(huì)并發(fā)現(xiàn)許多新的東西。我們現(xiàn)在要做些什么才能實(shí)現(xiàn)這種愿望呢？
有兩種可行的方式。第一種方式是利用我們業(yè)已掌握的電磁波發(fā)送和接收技術(shù)，向太空發(fā)送有意義的信號(hào)，并靜候遠(yuǎn)方的回音，或者接收從太空發(fā)來的電磁波，看一看是否有什么有意義的信號(hào)；第二種方式是向太空深處發(fā)送承載人類智慧的飛行器，期望能夠與可能存在的宇宙文明做直接的接觸。這兩方面的工作都做過嘗試。
1960年，美國正式啟動(dòng)了一個(gè)叫做“奧茲瑪計(jì)劃”的項(xiàng)目，嘗試接收地外文明世界發(fā)出的無線電信號(hào)。奧茲瑪是美國兒童文學(xué)作家萊曼·弗蘭克·鮑姆的小說《奧茲瑪公主》中的人物。小說描寫小女孩多蘿茜由于一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)去到一個(gè)叫做“奧茲”的王國的歷險(xiǎn)故事?！皧W茲”是一個(gè)非常奇特、非常遙遠(yuǎn)和難以到達(dá)的國度，在那里居住著一位名叫“奧茲瑪”的美麗的公主。因此，“奧茲瑪計(jì)劃”的含義就是“尋找遙遠(yuǎn)的宇宙文明”。
奧茲瑪計(jì)劃由康乃爾大學(xué)的天文學(xué)家法蘭克·德雷克主持，于1960年4月正式實(shí)施，利用西弗吉尼亞州西部綠岸鎮(zhèn)射電天文臺(tái)剛建成的一臺(tái)口徑為26米的射電望遠(yuǎn)鏡，在21厘米的波長上接收來自太陽系附近外太空的電磁波信號(hào)，意圖獲得來自宇宙文明的信息。
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射電望遠(yuǎn)鏡 傾聽來自太空深處的輕輕的嘆息 |
我們知道，宇宙中含量最豐富的元素是氫，任何技術(shù)型的智能生命肯定會(huì)對這種元素有深入透徹的了解。21厘米波長的電磁波處于電磁波譜的微波波段，是由低溫下的中性氫原子發(fā)出的。這種電磁波由于能夠輕易地穿透星際空間的塵埃云，因此，在對銀河系的研究中有著極其重要的作用，而光學(xué)波段的電磁波往往因受到塵埃云的吸收而無法傳播得很遠(yuǎn)，致使利用光學(xué)觀測研究銀河系的深處受到阻礙。根據(jù)人類科學(xué)發(fā)展歷史的經(jīng)驗(yàn)，這種被稱為21厘米氫線的電磁波很可能是每一個(gè)技術(shù)文明處于初級階段就能夠充分認(rèn)識(shí)和有效利用的電磁波。
中性氫原子由帶正電荷的質(zhì)子和帶負(fù)電荷的電子組成，兩種粒子都有一種類似于自轉(zhuǎn)的性質(zhì)，稱之為自旋。當(dāng)電子與質(zhì)子的自旋取向相互反平行時(shí)，整個(gè)原子處于最低能量的狀態(tài)；當(dāng)它們的自旋取向相互平行時(shí)，原子就會(huì)獲得很小的附加能量。在太空深處，溫度常常接近絕對零度，在這種環(huán)境下，氫原子通常都處于最低能量狀態(tài)，也就是電子和質(zhì)子的自旋取向相互反平行。然而，即使是在太空深處最寒冷的地方，原子也會(huì)緩慢地運(yùn)動(dòng)，這樣，原子之間就不可避免地會(huì)發(fā)生碰撞。碰撞過程會(huì)把原子的運(yùn)動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)變成原子的內(nèi)部能量，其效果就是使電子的自旋取向掉過來，變得與質(zhì)子的自旋取向平行，這時(shí)，整個(gè)原子就處于一種其能量比最低能量狀態(tài)的能量稍微高出一點(diǎn)點(diǎn)的狀態(tài)。也就是說，碰撞過程使原子獲得了一點(diǎn)點(diǎn)的附加能量。根據(jù)量子力學(xué)規(guī)則，這種能量稍微高一點(diǎn)的原子會(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰扛偷臓顟B(tài)，并以光子的形式釋放出它們獲得的能量。由于兩種狀態(tài)的能量相差很小，因此，所發(fā)出的電磁波的頻率很低，對應(yīng)的波長為21厘米。
由德雷克領(lǐng)導(dǎo)的奧茲瑪計(jì)劃項(xiàng)目小組在三個(gè)月內(nèi)把射電望遠(yuǎn)鏡先后指向距地球約10光年的兩顆恒星：鯨魚座τ和波江座ε，累計(jì)監(jiān)聽了近兩百小時(shí)，卻始終沒有檢測到有意義的信號(hào)。
1972年，本杰明·薩克曼和派翠克·帕默共同發(fā)起奧茲瑪計(jì)劃二期。到1975年止，天文學(xué)家對距離地球80光年以內(nèi)的600多顆恒星進(jìn)行監(jiān)聽。然而，并沒有接收到任何被認(rèn)為可能來自宇宙文明的信號(hào)。
從1960年開始到1975年結(jié)束，奧茲瑪計(jì)劃沒有取得預(yù)期的成果。雖然這一次探索以失敗告終，但是，它卻是人類歷史上第一次有目的和有組織地嘗試在太空深處尋找宇宙文明的計(jì)劃。包括人類無數(shù)次科學(xué)探索的成敗，奧茲瑪計(jì)劃的失敗告誡我們，科學(xué)探索是一項(xiàng)艱難的和持久的智力活動(dòng)，不可能輕而易舉地就取得成功，有一些科學(xué)探索可能需要幾代人持續(xù)不斷地努力才會(huì)得到一些有價(jià)值的結(jié)果。
在奧茲瑪計(jì)劃實(shí)施期間，天文學(xué)家還做了一件非常重要的事情。
1963年，美國在中美洲島國波多黎各的阿雷西博山區(qū)建造了一臺(tái)巨大的射電望遠(yuǎn)鏡。這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡最初是為研究電離層而建造的，后來卻在射電天文學(xué)的研究中做了更重要的貢獻(xiàn)。
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阿雷西博的問候 這是一臺(tái)固定在山谷中的大型射電望遠(yuǎn)鏡，人類用它發(fā)出第一個(gè)星際呼叫信號(hào)。 |
阿雷西博望遠(yuǎn)鏡主要用于研究類星體、脈沖星和宇宙深處的射電源。其中最重要的研究成果是1974年由泰勒和赫爾斯發(fā)現(xiàn)的第一對射電脈沖雙星系統(tǒng)。根據(jù)廣義相對論，這對脈沖雙星因相互繞轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)發(fā)出引力波，導(dǎo)致它們的繞轉(zhuǎn)周期發(fā)生變化。這兩位天文學(xué)家利用阿雷西博望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行長時(shí)間的觀測，得到了這對脈沖雙星的軌道周期的大量數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了廣義相對論的預(yù)言，間接地證實(shí)了引力波的存在。泰勒和赫爾斯因此被授予1993年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1991年，還是利用阿雷西博望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了一個(gè)毫秒脈沖星的行星系統(tǒng)，這是人類探索外星文明的一次重要進(jìn)展。
阿雷西博望遠(yuǎn)鏡建成之后曾經(jīng)進(jìn)行過多次改建。最初的反射天線由金屬網(wǎng)構(gòu)成，最短的工作波長是50厘米；1974年對天線做了改建，用三萬多塊金屬板拼接而成，工作波長達(dá)到5厘米；1980年再次進(jìn)行改建，把天線的直徑擴(kuò)大到366米；截止到1997年的改建，望遠(yuǎn)鏡能觀測到的波長范圍達(dá)到6米到3厘米，能夠觀測到更多的分子譜線。
為了慶祝1974年的那次改建，天文學(xué)家利用阿雷西博望遠(yuǎn)鏡向距離地球2萬5千光年的球狀星團(tuán)M13發(fā)射了一條尋找宇宙知音的無線電信息，信息將在2萬5千年后傳到這個(gè)遙遠(yuǎn)的星團(tuán)。如果到那個(gè)時(shí)候那里存在與我們相似的智能生命，如果信號(hào)有幸能被他們接收到，如果他們也同樣熱情地給予我們回復(fù)，那么，5萬年之后，我們將會(huì)收到明確的答復(fù)。可是，我們的文明能夠延續(xù)到那一刻嗎！與其說我們想要得到一個(gè)答復(fù)，倒不如說我們希望向未來的宇宙文明講述我們曾經(jīng)有過的輝煌，顯示我們在這個(gè)宇宙中曾經(jīng)存在過。
這條所謂的阿雷西博信息，由1679個(gè)二進(jìn)制數(shù)字組成，包含了有關(guān)人類文明的重要信息，由弗蘭克·德雷克領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)。1679這個(gè)數(shù)字只能被拆分成兩個(gè)質(zhì)數(shù)23和73的乘積。所以，任何接收到這條信息的文明只能將這1679個(gè)數(shù)字排列成一個(gè)矩陣。如果他們將這些數(shù)字排列成23行，得到的將是一片沒有任何意義的涂鴉，但是，如果將它們排列成73行，就會(huì)得到一幅有明確意義的信息圖。如果他們能夠正確解讀這些信息，就會(huì) 獲得有關(guān)人類文明的一些基本資訊：最基本的10個(gè)十進(jìn)制數(shù)字、人類DNA所包含的五種元素和DNA的基本結(jié)構(gòu)、1974年人類的一些基本資料、DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)、太陽系的基本狀況等。
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阿雷西博信息 顏色只用作分類，信息本身是沒有任何顏色的。 |
今天，奧茲瑪計(jì)劃已經(jīng)落下帷幕，但是，人類探尋地外文明的新紀(jì)元才剛剛開始。就在奧茲瑪計(jì)劃結(jié)束之后沒多久，另一項(xiàng)搜尋地外文明的計(jì)劃揭開帷幕。
1992年，一個(gè)分析天體射電頻譜的項(xiàng)目開始運(yùn)作，它通過對由射電望遠(yuǎn)鏡接收到的無線電信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，以期得到可能是由外星文明發(fā)來的信息。
在地球上，每時(shí)每刻都會(huì)接收到大量來自外太空的無線電信號(hào)，這些無線電信號(hào)是太空深處的天體通過各種物理過程發(fā)射的。一般情況下，在地球上接收到的這些無線電信號(hào)都是雜亂無章的。如果在這些被接收到的信號(hào)中有一個(gè)成分是由外星文明發(fā)送過來的，這個(gè)信號(hào)成分也會(huì)被淹沒在這些浩如煙海的無線電噪聲中。在這些噪聲本底中把那些有明確規(guī)律的信號(hào)提取出來是一件相當(dāng)艱難的事情，僅僅依靠幾個(gè)專業(yè)人員是根本無法完成的。
幸運(yùn)的是，這個(gè)項(xiàng)目開始沒多久，人類社會(huì)就進(jìn)入了互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。
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| 如果我們是宇宙中唯一的存在，空間是多么巨大的浪費(fèi)。 |
在進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代之后，這個(gè)項(xiàng)目己經(jīng)不再被局限在專家們的圈子里了。1999年5月，一個(gè)利用互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)結(jié)全世界的個(gè)人電腦共同搜尋地外智能(Search for ExtraTerrestrial Intelligence，簡稱SETI)的計(jì)劃SETI@Home開始實(shí)施。SETI@Home計(jì)劃寓意為安坐家中搜尋地外智能，由加州大學(xué)伯克利分校發(fā)起，中心平臺(tái)設(shè)在伯克利空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)室。在這個(gè)計(jì)劃中，科學(xué)家們開發(fā)了一個(gè)軟件，利用這個(gè)軟件通過互聯(lián)網(wǎng)把世界上成千上萬的個(gè)人電腦聯(lián)結(jié)起來共同完成搜尋地外智能的事業(yè)。項(xiàng)目的中心平臺(tái)預(yù)先將來自射電望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)分成一個(gè)個(gè)小數(shù)據(jù)包儲(chǔ)存在中心計(jì)算機(jī)中。世界上任何一個(gè)角落里有興趣于探索地外文明事業(yè)的個(gè)人，只要擁有一臺(tái)能上網(wǎng)的個(gè)人電腦，就可以到中心平臺(tái)上下載并安裝這個(gè)軟件。連接上互聯(lián)網(wǎng)的個(gè)人電腦只要運(yùn)行這個(gè)程序，就可以在計(jì)算機(jī)空閑的時(shí)候自動(dòng)通過互聯(lián)網(wǎng)向中心計(jì)算機(jī)索取一個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，并將分析的結(jié)果發(fā)送回中心計(jì)算機(jī)。志愿者無需操心這個(gè)軟件是如何運(yùn)作的，也不用擔(dān)心程序的運(yùn)行會(huì)干擾電腦的常規(guī)運(yùn)作，SETI@Home程序以屏保模式或后臺(tái)模式進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，它只在電腦空閑的時(shí)候啟動(dòng)，不會(huì)影響電腦的日常工作。
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Seti@Home的運(yùn)行界面 |
自1999年5月開始運(yùn)行，到2005年關(guān)閉之前，總共有500多萬志愿者加盟SETI@Home，全部志愿者的個(gè)人電腦累積的工作時(shí)間超過200萬年，分析了大量無線電數(shù)據(jù)，但是始終沒有發(fā)現(xiàn)有疑似外星智能的信號(hào)。
其實(shí)，搜尋地外智能只是SETI@Home計(jì)劃的其中一個(gè)目標(biāo)。SETI@Home計(jì)劃還有一個(gè)目標(biāo)，想要通過這個(gè)計(jì)劃探索分布式計(jì)算是否可行。雖然未能達(dá)成搜尋地外智能這個(gè)預(yù)期的目標(biāo)，但是，通過SETI@Home的運(yùn)作，充分證明了分布式計(jì)算在利用接入互聯(lián)網(wǎng)的個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理方面的可行性，并顯示出這種運(yùn)作方式的強(qiáng)大的能力，這種能力甚至超越世界上任何一臺(tái)超級計(jì)算機(jī)。
2005年3月，SETI@Home宣布，逐漸停止舊平臺(tái)的運(yùn)行，全面轉(zhuǎn)入新的BOINC計(jì)算平臺(tái)。新的計(jì)算平臺(tái)實(shí)際上是一個(gè)在更廣泛的科研領(lǐng)域中支持分布式計(jì)算的平臺(tái)，它所支持的分布式計(jì)算項(xiàng)目包括天文學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、數(shù)學(xué)與計(jì)算科學(xué)、人工智能與認(rèn)知科學(xué)、以及地球科學(xué)等計(jì)算密集型項(xiàng)目。
除了上面講到的間接的探索方式，我們也可以采用第二種更加直截了當(dāng)?shù)姆绞?，派遣宇宙飛船遠(yuǎn)征宇宙彼岸的文明世界。
1972年3月，先驅(qū)者10號(hào)宇宙飛船發(fā)射，它攜帶著一塊6*9英寸的鍍金鋁板，上面刻著反映人類在宇宙中的位置以及人類文明現(xiàn)狀的信息。在銘牌的一側(cè)，刻著代表地球上的智能生物形象的一男一女的圖像，其中的男子正舉起右手，代表人類向可能存在的外星文明致意。先驅(qū)者10號(hào)于1973年12月到達(dá)木星附近，在對木星進(jìn)行了近距離的探視之后，于1983年6月越過海王星，朝著背離銀河系中心的方向飛離太陽系，成為人類文明的第一個(gè)和平使者。繼先驅(qū)者10號(hào)之后，于1973年4月發(fā)射的先驅(qū)者11號(hào)帶著同樣的一塊鍍金鋁板，于1974年12月接近木星，借助木星的強(qiáng)大引力，改變軌道飛向土星，并于1979年9月到達(dá)土星附近，在飛過土星的光環(huán)之后，向著朝向銀河系中心的方向飛離太陽系。
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地球的使者 先驅(qū)者號(hào)太空船上的金屬銘牌。任何發(fā)現(xiàn)這塊銘牌的外星智能生命都能推斷出我們存在于何時(shí)何地。 |
1977年8月,旅行者2號(hào)發(fā)射，1977年9月,因發(fā)射前出現(xiàn)故障而延期的旅行者1號(hào)發(fā)射，它們在離開太陽系之前的一個(gè)重要任務(wù)是探測太陽系的外圍行星。這兩艘宇宙飛船都攜帶著一張鍍金銅板聲像唱片，被稱為“地球之音”。唱片上面錄制了地球上各種有代表性的聲音和圖片：用幾十種語言給“外星人”的問候語、幾十種大自然的聲音、幾十分鐘的世界名曲以及一百多幅有關(guān)人類和大自然的照片。預(yù)計(jì)唱片可在宇宙間保存10億年之久。在對太陽系外圍行星進(jìn)行了詳盡的探測之后，兩艘旅行者號(hào)探測器將分別向著朝向和背離銀河系中心的方向飛離太陽系。
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旅行者號(hào)和她的地球之音 |
自從先驅(qū)者號(hào)和旅行者號(hào)出發(fā)以來，四十多年過去了，這幾艘承載著當(dāng)前人類文明信息和對未來宇宙文明的問候的宇宙飛船已經(jīng)完成了它們的前期任務(wù)，正向著廣闊無垠的太空飛離太陽系，到宇宙深處尋找它們的歸宿。
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藝術(shù)家描繪的太空殖民計(jì)劃 |
派遣載人宇宙飛船去拜訪遠(yuǎn)方的文明將是一種最直截了當(dāng)?shù)霓k法。可是，由于恒星之間的巨大的距離，這樣的星際旅行將是一段極其漫長的旅程，如果使用今天的能源技術(shù)和宇航技術(shù)，即使要到達(dá)最近的恒星也需要飛4萬年。這就需要在宇宙飛船中建造一個(gè)模擬地球的環(huán)境，可以讓人類的殖民團(tuán)在經(jīng)過若干代的飛行后到達(dá)遙遠(yuǎn)的星球。
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| 生物圈二號(hào) |
作為一個(gè)前瞻性的實(shí)驗(yàn)，20世紀(jì)80年代末，美國耗資近兩億美元在亞利桑那州圖森市以北的沙漠中建造了一個(gè)實(shí)驗(yàn)基地：生物圈2號(hào)，這是一座完全封閉的鋼架結(jié)構(gòu)的玻璃建筑，是一個(gè)微型的人工生態(tài)系統(tǒng)?？茖W(xué)家希望通過實(shí)驗(yàn)獲知，人類是否能夠建造一個(gè)穩(wěn)態(tài)的人工生態(tài)系統(tǒng)。1991年9月，八位科學(xué)家進(jìn)入生物圈2號(hào)，開始了預(yù)期進(jìn)行兩年的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。最終，由于氧氣的濃度從正常占比下降到14%，研究人員被迫撤離。這個(gè)為期兩年的實(shí)驗(yàn)，于1993年9月以失敗告終。生物圈2號(hào)的失敗告訴我們，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，人類還難以模擬和控制可供人類生存的大尺度的生態(tài)環(huán)境。
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巨大的太空輪 |
也許我們可以等到將來再著手這項(xiàng)工作。那時(shí)候，人類將有可能開發(fā)出新的能源技術(shù)和宇航技術(shù)，使宇宙飛船加速到接近光速。這樣，人類就有可能飛越數(shù)萬光年的距離到達(dá)遠(yuǎn)方。盡管在地球上看，飛達(dá)目的地可能需要若干萬年，但是，根據(jù)相對論，星際旅行者在宇宙飛船上只度過了短短幾年的光陰，他們將成為真正的時(shí)間旅行者，飛到了我們的未來。
不過，有一點(diǎn)我們必須認(rèn)識(shí)到，無論我們采用哪一種技術(shù)，星際旅行者都不可能再回到出發(fā)的那個(gè)時(shí)代，那個(gè)時(shí)代與他們返航的時(shí)刻可能相隔數(shù)萬年。當(dāng)他們或者他們的子孫返回地球的時(shí)候，我們的文明是否仍舊存在？抑或我們的文明早就毀滅了，取而代之的將是一個(gè)他們并不熟悉的新的文明！
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