地外文明搜寻一百年人类是宇宙中唯一吗

　　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，该组织利用这些位于加州北部的无线电阵列来搜寻太阳系以外智慧文明的信号。
　　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（PhilipMorrison）和吉乌斯皮科科尼（GiuseppeCocconi）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（FrankDrake）利用射电望远镜进行了首次SETI项目尝试，他对鲸鱼座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。p分页标题e
　　弗兰克德雷克和一个小天文爱好者在利克天文台
　　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：NRfpneflfifcL。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。p分页标题e
　　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（ClaudeShannon）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（LauranceDoyle）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（BrendaMcCowan）、肖恩汉瑟（SeanHanser）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（ZipfsLaw）。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。p分页标题e
　　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。p分页标题e
　　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。
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　　有关外星人的艺术插画
　　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（FreemanDyson）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。p分页标题e
　　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》（OtherWorldsThanOurs）中，英国人理查德普罗克特（RichardProctor）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