四千字教程︱快2024年了，和外星人聊天需要幾步？

如果你點進來只是想看外星人，我建議你現在可以劃走了。到目前為止，我們還不能下結論說地外生命存在與否，能夠交流的地外生命就更不用說了。不過如果哪天我們真的遇上外星人，免不了的一件事情就是相互交流。和外星人聊天可能沒有大家想象中那么難，實際上，這跟把大象放進冰箱一樣簡單。

眾所周知，把大象放進冰箱只需三步

STEP 1

尋找外星人

想和外星人聊天，首先當然是要找到外星人。雖然我們一直沒找到，但千萬不要因此覺得找外星人這件事情本身有多困難。想一想如果你要在現實當中找一個人，你可以想到幾種方式呢？其實不外乎以下三類：

●找到這個人的住所/工作單位，直接登門拜訪

●找到這個人的電話號碼/電子郵箱/社交賬號，在線上取得聯系

●發布尋人啟事

這三類尋人方式正好可以類比到我們目前尋找地外生命的三種方式。

第一種尋找地外生命的方法，其實就是發射探測器直接到某一天體，或環繞或登陸，自太空時代以來人類已經干過無數次了。以人類目前的技術水平，這種「登門拜訪」的方式暫時只能在太陽系內開展，而且往往不是專門為尋找地外生命設計的，更多地是為近距離研究天體本身的物理、化學、地質等性質。當然，換個角度來說，搞清楚了這些性質，也多少能夠了解這個天體是否適宜生命乃至智慧生命存活。

祝融號著巡合影丨國家航天局

目前進入了星際空間的先驅者號與旅行者號也算是準備「登門拜訪」外星人，只不過我們壓根不知道是登哪個門，要拜訪誰，兩者更像是宇宙「漂流瓶」。

旅行者一號丨Wikipedia

第二種地外文明尋找方式是目前的主流，有點類似在線上與他人聯系。兩者不同之處是我們實際上沒有和任何地外生命取得聯系，我們目前能做的是時刻監測天空中是否出現了可疑的非自然信號[1]，或者觀測已知的系外行星上是否存在一些生命特有的化學或物理特征。

大名鼎鼎的SETI（Search for extraterrestrial intelligence）就是一例。如今SETI一般指SETI研究所[2]，而研究所就是由NASA最初的SETI計劃發展而來。歷史上的SETI計劃有奧茲瑪計劃[3]、鳳凰計劃[4]等。目前SETI研究所負責運行專用于搜尋地外生命的艾倫望遠鏡陣列（ATA），以及一項在可見光波段尋找地外生命信號的激光SETI計劃（Optical/LaserSETI）。

艾倫望遠鏡陣列︱SETI Institute

世界范圍內類似的計劃還有俄國富豪米爾納發起的突破聆聽、突破觀察計劃[5]。

尋找地外生命時，還有一種方式是向特定天區發送信號[6]，最著名的例子有阿雷西博信息，這類似于我們日常所見的尋人啟事。由于發送信息的同時也暴露了地球的位置，部分學者并不贊同這種主動熱情的搜尋方法。另外相比前兩類尋找方式，主動發送信號的做法只適用于尋找有能力接收信號并做出回復的地外智慧生命，也就是一般意義上的「外星人」。

1974年朝武仙座球狀星團發送的阿雷西博信息

STEP 2

給外星人發消息

以上歸納的三種地外文明尋找方式，實際上也代表了人類與地外文明交流的兩種辦法：

一種類似與古代飛鴿傳書，快馬送信，例子如先驅者金銘牌、旅行者金唱片[7]；另一種則像是19世紀中葉~20世紀初流行一時的電報，如阿雷西博信息、宇宙的呼喚[8]等。這兩種方式實際上只是將適用于地球尺度的通信方式的照搬到了星際尺度。在星際尺度下，第一種「飛鴿傳書」式通信顯然聊勝于無，發射了數十年的先驅者號和旅行者號如今還在太陽的引力范圍內；而「電報」式通信最明顯的問題就是不可忍受的延遲，一次對話就需要短則數十年，長則數百年的時間。

武仙座球狀星團距離地球超過2萬光年，即便這里真的有外星人，我們收到阿雷西博消息的回復也要等到4萬年以后丨Wikipedia

另外過去所有以電磁波形式發射的SETI信息都較為簡短[9]，地外文明需要具備全天候全方位全波段監測宇宙信號的能力才能保證不錯過我們發送的信息。這種監測能力的基礎其實正是目前天文學新興熱門方向之一——時域天文，其主要觀測方法[10]除了可以幫助天文學家更好地研究一些轉瞬即逝的天體物理過程，也能用于尋找可能的地外文明信號。

最近啟用的墨子巡天望遠鏡，理論上可在三天時間內完成整個北天球巡天︱wfst.ustc.edu.cn

在時域天文學領域，人類還有很大的提升空間。以目前的監測水平，如果有地外文明向地球發送了他們的「阿雷西博信息」，我們大概率是會錯過的。換個角度來看，我們現在討論過去發送的SETI信息是否暴露了地球坐標多少有點杞人憂天。就那些信息微不足道的體量，地外文明但凡走個神就發現不了。

考慮到星際通信的時空限制，應該嘗試把尋找和交流統一起來，即發送的消息要肩負尋找和交流兩種功能。科幻電影《超時空接觸》提供了一條思路，電影中地外文明發來的信息中首先包含了一條人類過去向宇宙廣播的內容（1936年柏林奧運會開幕式），一同發送的還有一份超過6萬頁的設計圖紙。

地外文明傳送的設計圖紙︱《超時空接觸》

如果我們想找到一個有能力交流，且交流方式[11]與人類相近的地外文明，可以采用與《超時空接觸》中地外文明類似的做法，以電磁波的形式傳送大量人類文明信息。SETI專家賽思·肖斯塔克（Seth Shostak）就提出[12]我們可以傳送「大數據」，比如互聯網內容，包括文本、圖片、視頻、音頻等，讓地外文明意識到我們存在的同時全面了解我們的社會特征，甚至在解讀信息期間產生的一些疑問可以直接通過信息本身找到答案，這便是結合了尋找與交流的通信形式。肖斯塔克還簡單估算了發送信息所需的時間，如果是射電波段需時數個月；如果使用高功率激光，可以在幾天之內發送完畢。

賽思·肖斯塔克（Seth Shostak）丨Wikipedia

當然，怎么交流是一個問題，交流些什么是另一個問題。在發送「大數據」之前，我們大概還需要認真思考包括但不限于：應該發送具體哪些內容，誰有資格來做這個決定？地球文化與外星文化必然存在巨大差異，我們地球人覺得合適的內容是否會引起外星人的反感乃至憤怒？等等。

STEP 3

收到外星人回復

如果我們完成了前兩步，甚至成功收到了來自外星的回復，這時候我們先別急著高興，因為接下來才是真正的考驗：我們需要知道外星人說了些什么，這意味著我們要解讀一種過去從未接觸過的外星語言。

這個問題看似無從下手，其實在地球上我們經歷過類似的情況。我們已經注意到某些動物的交流方式可能就是我們「從未接觸過」的語言；而對古埃及象形文字（圣書體）的研究歷程也無異于破譯一種「外星文字」。

先說說古埃及圣書體的故事。目前認為圣書體發源于5200年前（即公元前32世紀）的青銅時代早期，在中王國時期（公元前21世紀～前18世紀）形成了成熟的書寫文字體系。在公元5世紀后，圣書體由于缺乏使用場景被逐漸遺忘。

古埃及圣書體︱Wikipedia

從公元5世紀到18世紀間，有數次對圣書體的破譯嘗試，但都未取得實質性突破。直到19世紀初，在英國學者托馬斯·楊（Thomas Young）和法國語言學奇才商博良（Jean-Fran?ois Champollion）的聯手努力下，圣書體的本意才得以重見天日。

托馬斯·楊（Thomas Young）︱Wikipedia

商博良（Jean-Fran?ois Champollion）︱Wikipedia

回顧這次成功的古文字破譯過程，除了楊和商博良兩人的天才，還有一個至關重要物件，那就是1799年在埃及出土的一塊石碑，因在港口城鎮羅塞塔的郊外被發現，也稱「羅塞塔石碑」。

羅塞塔石碑，現藏于大英博物館︱Wikipedia@Hans Hillewaert

羅塞塔石碑上刻錄了古埃及法老托勒密五世頒布的一則政令，主要敘述了托勒密五世自父親托勒密四世處襲得的王位之正統性，與托勒密五世所做的許多善行，例如減稅、在神廟中豎立雕像等對神廟與祭司們大力支持的舉動。讓羅塞塔石碑在破譯圣書體過程中發揮關鍵作用的，并不是政令內容，而是其刻錄方式：石碑上有三種文字，記錄了同一份政令內容，三種文字自上而下依次是圣書體、世俗體和古希臘文。石碑上獨特的三語對照文本意味著學者們終于找到了一把破譯圣書體的「鑰匙」。1822年，商博良致信時任法蘭西文學院秘書邦-約瑟夫·達西耶（Bon-Joseph Dacier），宣布自己完全破譯了羅塞塔石碑上的象形文字。

某個版本的石碑復原圖︱Wikipedia@A. Parrot

如果要翻譯外星語言，一段「羅塞塔石碑」式的雙語對照文本將會必不可少。問題是兩個文明從未接觸過，雙語對照又從何談起？我們需要尋找一些地球文明與地外文明可能會共享的信息。目前科學界普遍認可數學是宇宙通行的「語言」，很多科幻作品中都會描述星際文明與地球的最初溝通內容是數學；宇宙中普遍存在的物理實在也可以作為一種翻譯「中介」，例如氫元素或電磁波的一些性質。

學好數理化，走遍宇宙都不怕︱電影《超時空接觸》

我們過去設計的一些SETI信息會在一開始加入這類「羅塞塔石碑」式信息，例如先驅者金銘牌上和旅行者金唱片的封面都給出了中性氫原子超精細躍遷圖像，用以定義整個信息中長度與時間的基本單位。

中性氫原子超精細躍遷現象對應的長度和時間分別是21.106厘米與0.704納秒︱NASA

接收外星信息時使用到的儀器所依賴的科學技術也會是重要的突破口。比如我們通過射電望遠鏡收到了地外文明發出的信號，某種程度上就說明地外文明擁有與我們相當的無線電通信技術。

古文字終究還是人類自己創造的產物，而對動物通信模式的研究可能更接近于研究一種人類從來都沒有了解過的「語言」。多伊爾（Laurance R. Doyle）等學者2011年在《宇航學報》（Acta Astronautica）上發表了一篇名為《信息論，動物通信與地外智慧生命搜尋》[13]（Information theory, animal communication, and the search for extraterrestrial intelligence）的文章。幾位作者認為，不管是什么物種，要傳遞智識（如復雜的知識），就必須遵守信息理論的某些規則。他們從信息論的角度分別考察了人類文字與寬吻海豚、座頭鯨以及樹棲松鼠猴等一些動物的通信系統，具體來說就是研究他們是否符合齊普夫定律（Zipf's Law）[14]。

論文摘要︱參考文獻[13]

所謂齊普夫定律，簡單理解就是在一段文本中某個高頻詞的出現次數反比于該高頻詞出現次數的排序。在一段符合齊普夫定律的文本中，第二高頻詞的出現次數是最高頻詞的一半，第三高的又是最高的三分之一......出現頻次排名第十的詞匯，其出現次數會是最高頻詞的十分之一。

齊普夫定律最初是在人類語言文本中發現的，但幾位學者注意到寬吻海豚與座頭鯨的聲音交流系統竟然也符合人類世界的齊普夫定律。

如果一套信號系統符合齊普夫定律，該系統的齊普夫斜率應落在-1附近︱參考文獻[13]

不僅如此，人類語言文本遵循的高階信息熵結構(high-order information-entropic structure)特征也在寬吻海豚的聲音交流體系中出現了。

在人類語言中，隨著信息熵的階數（詞語/字母數量）增加，總信息熵在逐步降低︱參考文獻[13]

嚴格來說齊普夫定律和高階信息熵結構都只是語言的必要不充分條件，寬吻海豚的交流系統在這兩個指標上與人類語言接近，不代表海豚就一定擁有像人類一樣的語言系統。不過這種定量研究非人類通信系統復雜性的過程為我們探測地外生命提供了全新思路，比如可以在未來的地外生命搜尋項目中加入基于信息論方法的儀器或算法。

參考&拓展：

[1]歷史上有一些未知物理過程的信號被當成是非自然信號，遠的有脈沖星，近的有快速射電暴（FRB）

[2]https://www.seti.org/

[3]https://www.seti.org/project-ozma

[4]https://www.seti.org/seti-institute/project/details/project-phoenix

[5]https://breakthroughinitiatives.org/about

[6]https://en.wikipedia.org/wiki/Active_SETI

[7]這里指兩者在形式上類似「飛鴿傳書」，這幾艘探測器因為沒有明確的目的地，本質上只能算宇宙「漂流瓶」

[8]https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_Call

[9]阿雷西博信息的持續時間還不到3分鐘，2003年「宇宙的呼喚」科學信息總時長接近1小時，個人信息總傳輸時間約11小時

[10]如大視場巡天

[11]主要通過電磁波

[12]https://www.nytimes.com/2015/03/28/opinion/sunday/messaging-the-stars.html

[13]https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0094576509005682

[14]https://en.wikipedia.org/wiki/Zipf%27s_law

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