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德雷克生日│ 科學史上的今天:5/28

張瑞棋_96
・2015/05/28 ・1091字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 514 ・六年級

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在夜空下仰望繁星若塵,除了讚嘆宇宙之浩瀚,不免也會猜想某個遙遠的星系是否也存在著其他智慧生物吧?

美國天文學家德雷克自八歲起即如此幻想著。他大學念天文學,畢業後在軍艦上當了一陣子通訊官;結合這兩項學經歷,他進入哈佛大學研究所攻讀無線電天文學,終究成為以科學方法尋找外星文明的第一人。

1960 年,德雷克將直徑 26 米的無線電望遠鏡對準 12 光年外位於鯨魚座的天倉五,與 10.5 光年外位於波江座的天苑四,搜尋是否有值得注意的特殊訊號;這成了「搜尋地外文明(SETI)」計劃的濫觴。第二年德雷克召開首屆 SETI 研討會,會中提出了著名的「德雷克公式」,用以估算我們有機會以電波接觸到的外星文明數量:

\( N=R_* \times f_p\times n_e \times f_l \times f_i \times f_c \times L\)

  • \( R_* \):銀河系平均每年誕生新恆星的數量(NASA 估計 7 個)
  • \( f_p \):擁有行星之恆星的比例(幾乎等於 1)
  • \( n_e \):每個恆星擁有允許生命的行星數量(難以估計,從億分之一到 1/10 都可能)
  • \( f_l \):其中真的孕育出生命的比例(難以估計,但有天文學家估計 0.13 以上)
  • \( f_i \):其中發展出文明的比例(難以估計,從億分之一到 1 都可能)
  • \( f_c \):其中發展出發射電波至外太空的比例(一般估計 10%~20%)
  • L:這樣的科技文明平均存續時間(難以估計,從千年到億年都可能)

雖然這樣得出來的答案範圍太廣,從幾乎沒有到數百萬個都有可能,難以達成共識,但德雷克公式至少為原本天馬行空的胡亂猜測提供一個系統化的討論基礎。

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德雷克本人的估算當然是極為樂觀的,他一生至今也都將全部心力奉獻於此。1972 年發射的太空船先鋒十號上放了一塊由他與卡爾·薩根共同設計的鍍金鋁板,上面刻劃了氫原子能階、地球位置與一男一女圖像。希望若有穿梭星際的外星人捕獲它,能因而知道我們的存在。次年發射的先鋒十一號也裝了一塊同樣的鍍金鋁板,往宇宙另一個方向飛去。1974 年,德雷克透過阿雷西博望遠鏡(Arecibo Observatory)向古老的 M13 星團發射無線電波,希望該處數十萬顆恆星之中有智慧文明能接收到,並成功解讀用二進位編碼的訊息。

德雷克代表人類撰寫的銘版有如瓶中信尚在無垠的太空中漂流;阿雷西博訊息距離目的地也還有二萬五千年要走。我們現在能做的只有持續傾聽來自外太空的微弱訊號,希望能從中發現外星文明的話語。如果你認同德雷克的信念,你也可以到 SETI 的網站下載程式,用你的電腦一起幫忙尋找外星文明……。

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

文章難易度
張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 953 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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和外星人的第五類接觸!《三體》中的微中子通訊是真的?
PanSci_96
・2024/04/08 ・6799字 ・閱讀時間約 14 分鐘

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不要回答!不要回答!不要回答!

Netflix 版「三體」終於上線了,你覺得與外星人接觸是安全的,還是冒險的?

其實啊,人類早就多次嘗試與外星文明接觸,三體中的「那個」技術,甚至也已經驗證成功了?到底誰能先與外星人取得聯繫?是中國還是美國?

接下來的討論可能會暴雷原版小說的設定,但應該不會暴雷 Netflix 版的劇情。

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如果你也有一點想跟外星人接觸,那就來看看人類到底已經跟外星人搭訕到什麼程度了吧!

我們與外星文明接觸過了嗎?

對於是否要與外星文明接觸,每個人都有不同想法。三體小說作者劉慈欣在小說中提出一種觀點,那就是人類太弱小,最好避免與外星文明接觸,以免招致不必要的風險。

但是回到現實世界,如果我們真的身處在三體的世界的話,那人類可真的是不停作死啊。早在 1974 年,科學家就利用阿雷西博天文台,向武仙座的 M13 球狀星團發射了一條著名的訊息,也就是「阿雷西博訊息」。這個目標距離地球不算遠,星星又多,被認為是潛在的外星文明所在。阿雷西博訊息中,則包含人類的 DNA 結構、太陽與九大行星、人類的姿態等資訊。每次想到總覺得是新開的炸雞排在發傳單攬客。

航海家金唱片。圖/wikimedia

除了無實體的電波訊息,人類還向太空中發送了實體的「信件」。1977 年,航海家探測器載著「航海家金唱片」進入太空。唱片中收錄了包含台語在內,55 種語言的問候語、大自然與鳥獸的聲音、115 張圖像、還用 14 顆銀河系內已知的脈衝星來標示出太陽系的位置。是一封向宇宙表達人類文明與友好意圖的信件。恩,如果接收到這個訊息的外星人不是很友善的話,那麼……。

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好吧,就算現在說應該要謹慎考慮接觸外星文明的風險,或許已經來不及了。對方是善還是惡,怎麼定義善或惡,會不會突然對我們發動攻擊,我們也只能聽天由命了。

反過來說,過了這麼久,我們收到外星文明的來信了嗎?

要確定有沒有外星文明,接收訊號當然跟發送訊號同等重要甚至更重要。1960 年,天文學家法蘭克.德雷克,就曾通過奧茲瑪計畫,使用直徑 26 公尺的電波望遠鏡,觀察可能有外星文明的天苑四和天倉五兩個恆星系統,標誌著「尋找外星智慧計畫」(the Search for Extraterrestrial Intelligence, SETI)的誕生。可惜,累積了超過 150 小時的訊息,都沒有搜尋到可辨識的訊號。

比較近的則是 1995 年的鳳凰計畫,要研究來自太陽附近一千個恆星所發出的一千兩百到三千百萬赫的無線電波。由於有經費支持,SETI 每年可以花五百萬美元,掃描一千多個恆星,但是目前還沒有任何發現。

中間有一個小插曲是,1967 年 10 月,英國劍橋大學的研究生喬絲琳.貝爾發現無線電望遠鏡收到了一個非常規律的脈衝訊號,訊號周期約為 1.34 秒,每次脈衝持續時間 0.04 秒。因為有可能是來自外星文明的訊號,因此訊號被開玩笑地取為 Little Green Man 1(LGM-1 號)。但後來他們又發現了多個類似的脈衝信號,最後證實這些脈衝是來自高速自轉的中子星,而非某個文明正在傳遞訊息。

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貴州天眼望遠鏡。圖/FAST

在中國也有探索外星生命的計畫,大家最關注的貴州天眼望遠鏡,直徑達五百公尺,是地球上最大的單一口徑電波望遠鏡。天眼望遠鏡在探索外星生命這件事,並不只是傳聞而已。2016 年 9 月天眼正式啟用後,也宣布加入 SETI 計畫。現在貴州天眼的六大任務之一,就包含探測星際通訊,希望能捕捉到來自其他星際文明的訊號。

而背負著地球最大單一口徑望遠鏡的名號,自然也引起不少關注。從 2016 年啟用到現在,就陸續出現不少檢測到可疑訊號的新聞。然而,這些訊號還需要經過檢驗,確定不是其他來自地面或地球附近的干擾源,或是我們過去難以發現的輻射源。可以確定的是,目前官方還未正式聲明找到外星文明訊號。

會不會是我們的通訊方法都選擇錯誤了?

即使電磁波用光速傳遞訊息,太陽系的直徑約 2 光年、銀河系直徑約 10 萬光年。或許我們的訊息還需要花很多時間才回得來,更別提那些被拋入太空的實體信件。航海家 1 號曾是世界上移動速度最快的人造物,現在仍以大約時速 6 萬公里的速度遠離地球,大約只有光速的一萬八千分之一倍。就算朝著最近的恆星——比鄰星飛去,最少也需要大約 7 萬 6 千年的時間才會到。

如果用電磁波傳遞訊息,又容易因為穿越星塵、行星、恆星等天體而被阻擋或吸收。不論是人類還是外星文明,都必須找到一個既快速,又不容易衰退的訊號,最好就是能以光速穿越任何障礙物的方式。

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在三體小說中,就給出了一個關鍵方法:微中子通訊。

微中子通訊是什麼?

微中子(Neutrino),中國通常翻譯為中微子,是一種基本粒子。也就是說它是物質的最基本組成單位,無法被進一步分割。這種粒子引起了廣泛關注,因為它與其他物質的交互作用極弱,並且以極高的速度運動。微中子能夠輕易穿過大部分物質,通過時幾乎不受阻礙,因此難以檢測。

在宇宙中,微中子的數量僅次於光子,是宇宙中第二多的粒子。有多多呢?地球上面向太陽的方向,每平方公分的面積,大約是你的手指指尖,每秒鐘都會被大約 650 億個來自太陽的微中子穿過,就是這麼多。但是因為微中子與物質的反應真的是太弱了,例如在純水中,它們平均需要向前走 250 光年,才會與水產生一次交互作用,以至於我們幾乎不會發現它們的存在。

藉由微中子撞擊氣泡室中氫原子裡的質子,進行微中子觀測,照片右方三條軌跡的匯集之處便是帶電粒子撞擊發生處。圖/wikimedia

但是對物理學家來說,更特別的是微中子展示出三種不同的「味」(flavor),也就是三種樣貌,電子微中子,渺子微中子和濤微中子,分別對應到不同的物理特性。 在粒子物理學裏,有個「標準模型」來描述強力、弱力及電磁力這三種基本力,以及所有基本粒子。在這個標準模型中,微中子是不具備質量的。 然而,當科學家發現微中子竟然有三種味,而且能透過微中子振盪,在三種「味」之間相互轉換,證明了微中子必須具有質量,推翻了標準模型中預測微中子是無質量的假設,表示標準模型還不完備。

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微中子在物理界是個非常有研究價值的對象,值得我們花上一整集來好好介紹,這邊就先點到為止。如果你對微中子或其他基本粒子很感興趣,歡迎在留言催促我們。

我們現在只要知道,微中子不僅推翻了標準模型。宇宙中含量第二多的粒子竟然有質量這件事情,更可能更新我們對宇宙的理解,以及增加對暗物質的了解。

但回到我們的問題,如果微中子幾乎不與其他粒子交互作用,我們要怎麼接收來自外星文明的微中子通訊呢?

要如何接收微中子?

Netflix 版《三體》預告片中,這個一閃而過,充滿金色圓球,帶有點宗教與科幻風格的大水缸,就是其中的關鍵。

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這個小說中沒有特別提到,但相信觀眾中也有人一眼就看出來。這就是位在日本岐阜縣飛驒市,地表 1,000 公尺之下,由廢棄礦坑改建而成的大型微中子探測器「神岡探測器」。

由廢棄砷礦坑改建而成,深達千米的神岡探測器。圖/Super-Kamiokande Construction

探測器的主要結構是一個高 41.4 米、直徑 39.3 米的巨大圓柱形的容器。容器的內壁上安裝有 11200 個光電倍增管,用於捕捉微小的訊號。水缸中則需灌滿 5 萬噸的超純水。捕捉微中子的方式是等待微中子穿過整座探測器時,微中子和水中的氫原子和氧原子發生交互作用,產生淡藍色的光芒。這與我們在核電系列中提到,核燃料池中會發出淡藍色光芒的原理一樣,是當粒子在水中超越介質光速時,產生類似音爆的「契忍可夫輻射」。

填水的神岡探測器。圖/Super-Kamiokande

也就是說,科學家準備一個超大的水缸來與微中子產生反應,並且用超過一萬個光電倍增管,來捕捉微小的契忍可夫輻射訊號。

但這樣的設計十分值得,前面提到的微中子可以在三種「味」中互相轉換,就是在這個水槽中被證實的。

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這座「神岡探測器」在建成後 40 幾年來,讓日本孕育出了 5 位的諾貝爾物理獎得主。

三體影集選在這邊拍攝,真的要說,選得好啊。

話說回來,有了微中子的捕捉方法之後,現實中還真的有人研究起了微中子通訊!

微中子通訊是怎麼做到的?

來自羅徹斯特大學與北卡羅來納州立大學的團隊,在 2012 年發表了一篇文章,說明它們已成功使用微中子,以接近光速的速度將訊息穿過 1 公里的距離,其中有 240 公尺是堅硬的岩石。訊息的內容是「Neutrino」,也就是微中子。

這套設備準備起來也不簡單,用來發射微中子的,是一部強大的粒子加速器 NuMI。質子在加速繞行一個周長 3.3 公里的軌道之後,與一個碳標靶相撞,發出高強度的微中子射束。

用磁場將微中子聚集成束的 NuMI。圖/Fermilab

用來接收微中子的則是邊長約 1.7 公尺,長 5 公尺的六角柱探測器 MINERvA,一樣身處於地底 100 公尺的洞穴中。

當然,這兩套設備的重點都是拿來研究微中子特性,而不是為了通訊設計的。團隊只是趁著主要任務之間的空檔,花了兩小時驗證通訊的可能性。

但微中子那麼難測量,要怎麼拿來通訊呢?團隊換了一個思維,目標只要能傳出0跟1就好,而這裡的0就是沒有發射微中子,而1則是發出微中子,而且是一大堆微中子。多到即使每百億個微中子只有一個會被 MINERvA 偵測到,只要靠著數量暴力,探測器就一定能接收到微中子。最後的實驗結果,平均一秒可以傳 0.1 個位元的訊息,錯誤率 1%。

MINERvA 實驗中的中微子偵測器示意圖。圖/wikimedia

看起來效率並不實用,卻是一個好的開始。

因為微中子「幾乎能穿透所有物體」的特性,即便我們還沒有其他外星文明可以通訊,或許還是有其他作用。例如潛水艇的通訊、或是與礦坑深處的通訊。進一步說,他幾乎可以在地球上的任一兩點建立點對點的直線通訊,完全不用擔心中間的阻礙。而對於現在最夯的太空競賽來說,月球背面的通訊問題,微中子也可以完美解決。

那麼,在微中子的研究上,各國的進度如何了呢?

除了前面提到的超級神岡,世界上還有幾個有趣的微中子探測器,例如位於加拿大的薩德伯里微中子觀測站(SNO),它有特殊的球體設計並且改為填充重水,專門用來觀測來自太陽的微中子。

薩德伯里中微子探測器。圖/wikimedia

而位於南極的冰立方微中子觀測站,則是將探測器直接埋在南極 1450 到 2450 公尺的冰層底下,將上方的冰層直接作為捕捉微中子的水。非常聰明的設計,這也讓冰立方成為地球上最大的微中子探測器。

除了已經在使用的這幾個探測器之外,美、中、日也即將打造更先進、更強大的探測器。

預計在美國打造的國際計畫——地下深處微中子實驗(Deep Underground Neutrino Experiment),預計成為世界上最大的低溫粒子偵測器。接收器位於南達科他州的地底一公里深處,用作研究的微中子訊號源則來自 1300 公里外的費米實驗室,百萬瓦等級的質子加速器,將產生有史以來最強的微中子束。這台地下深處微中子實驗(Deep Underground Neutrino Experiment)的縮寫非常有趣,就是 DUNE,沙丘。

中國呢,則預計在廣東的江門市,用 2 萬支 51 公分光電倍增管和 2 萬 5000 支 7.6 公分光電倍增管,在地底 700 公尺深處,打造巨大球形的微中子探測器-江門中微子實驗室,內部可以填充兩萬噸的純水。最新的消息是預計 2024 年就能啟用。

最後,經典的超級神岡探測器也不會就此原地踏步,日本預計打造更大的超巨型神岡探測器。容積將提升 5.2 倍、光電管從 11200 個變成 4 萬個,進一步研究微中子與反微中子之間的震盪。

超巨型神岡探測器設計圖。圖/Hyper-Kamiokande

結論

這些微中子探測器的研究目標必然是微中子本身的特性。但既然微中子通訊是有可能的,在任務之餘研究一下這個可能性,也不是說不行吧。

雖然我們現在還沒連繫上我們的好鄰居,但很難說明天就有哪個外星文明終於接收到我們對外宣傳的訊息,發出微中子通訊問候,甚至按圖索驥跑來地球。

至於那時我們應該怎麼辦呢?我們的網站上有幾篇文章,包括介紹黑暗森林法則,以及從《異星入境》看我們要如何與語言不通的外星文明溝通。有興趣的朋友,可以點擊資訊欄的連結觀看。在外星人降臨之前,也不妨參考我們的科學小物哦。

最後問問大家,你覺得我們應該主動聯繫外星文明嗎?

  1. 當然要,我相信探索一定是好的,我覺得引力波通訊更有機會!
  2. 先不要,我已經可以想像被外星文明奴役的未來了!
  3. 為了維繫美中之間的平衡,由台灣來率先接觸外星人,當仁不讓啊!

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延伸閱讀

參考資料

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PanSci_96
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人類在宇宙中是否孤寂?——宇宙中是否可能有其他文明?
Castaly Fan (范欽淨)_96
・2023/04/12 ・4993字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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1990 年,NASA 的航海家 1 號完成任務時,在 64 億公里外回首拍攝一張照片。地球,好似一粒漂浮在深空中的塵埃。該照片被命名為《蒼藍小點》(Pale Blue Dot),天文學家卡爾・薩根(Carl Sagan)隨後寫下了這段經典的語錄:

「凝視著這個淡藍小點:就是這裡。這就是家園。這就是我們。在這個小點上,每一個你愛的人,每一個你認識的人,每一個你曾聽聞的人,每一個人類、都曾經生活於此。我們一切的快樂和掙扎,萬千種引人自豪的宗教信仰、思想體系、經濟法則,每一位獵人與騎兵,每一位英雄與懦夫,每一個文明的締造者與摧毀者,每一位君王與農夫,每一對陷入愛河的年輕伴侶,每一位為人父母者、充滿希望的孩子們、發明家與探險者,每一位靈魂導師,每一位貪腐政客,每一個所謂的「超級巨星」,每一個所謂的「偉大領袖」,每一位歷史上的聖人以及罪人⋯⋯我們的一切一切,全部存在於——這顆懸浮在一束陽光中的渺小塵埃上。」

著名地球照片《蒼藍小點》。 圖/wikimedia

在浩瀚的宇宙中,地球確實是一粒渺小沙塵,也是我們唯一確定有智慧生命居住的世界。那麼,在茫茫太空中、銀河系的彼端、抑或是更遙遠之處,是否還有其他生命、乃至於文明正在活躍著?在這偌大而寂寥的宇宙中,人類又是否是孤獨的存在?

地球是否特別?平庸與殊異的爭辯

《蒼藍小點》這張影像意味著:地球不過是宇宙空間億萬顆星體中的一粒微塵,在近幾十年來,實驗觀測更指出宇宙比我們想像中來得更大、且正在持續擴張中。從演化論的視角來看,人類並非特別,我們所擁有的聰慧恰恰就是有機化學中基因序列的一種結果。

這些證據指向了一個事實——地球並不特別,只不過是一顆普通的行星。這樣一種看法在哲學上面被稱作「平庸原理」(mediocrity principle)。

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然而,對此有不少科學家抱持反對意見,而這一系列說法被稱之為「地球殊異假說」(Rare Earth hypothesis)。他們認為,地球的形成、板塊運動、大氣、海洋、乃至於生命的誕生、演化——這些都並非輕而易舉就能產生的。英國天文學家霍伊爾(Fred Hoyle)爵士曾如此形容:

「生命自發形成的機率,宛若一陣龍捲風掃過垃圾場、從中隨機拼湊出一架波音 747 那樣渺茫。」

確實,一系列有機分子纏繞結合成蛋白質、再組成基因序列、構成原始細胞這一段程序,這機率是非常微小的。而科學家們同時也提出了地球恰恰位在「適居帶」(habitable zone),這些條件決定了生命是否得以形成並且演化:

  1. 星系適居帶:恆星系統若接近星系中心,由於超大質量黑洞影響,會導致輻射、宇宙射線、以及星體撞擊的干擾,從而難以形成生命;若過於遠離核心,則會使重元素(例如:鐵、碘)難以形成,這些重元素是組成複雜生命分子的條件。太陽系位在銀河系第三旋臂上,恰好座落在適居帶。
  2. 太陽系適居帶:對於一個恆星系統而言,行星與恆星的距離將主宰生命誕生的條件。比如:水星、金星溫度過高,便不適合生命形成;火星、木星外側的行星距離太陽偏遠,則不會有液態水的存在;而地球位處金星、火星之間,不僅溫度適宜、有液態水存在,更有足夠大氣層可以擋避隕石與輻射,使得碳循環得以建立,恰好符合生命形成的條件。
  3. 行星適居帶:與前者類似,行星必須在恆星的一定範圍內,才能有良好的溫度環境、使得液態水可以存留。
太陽系在銀河系中的位置。圖/Wikipedia

超級適居行星的發現

所謂的「超級適居行星」(superhabitable planet),顧名思義,就是指位居在適居帶的行星。請注意,不少人常常將其誤解為「超級地球」(super-Earth),但這兩者是不一樣的。

首先,超級地球的判斷依據僅僅是質量,而非適居帶等條件,亦即比地球大出許多的岩質行星、但通常遠比天王星或海王星小。

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而另一個相關的數據稱為地球相似指數(Earth Similarity Index, ESI),指的是一行星的大小、質量、溫度等條件與地球的相似程度。以地球的 ESI=1 為標竿,目前所發現 ESI 最高的行星為位在 1,075 光年外的 KOI-4878.01,其 ESI 值高達 0.98,但存在性還在評估中。

不過,ESI 值高並不代表行星中有生命(畢竟有可能遠離行星適居帶)。真正意味著有可能會有生命存在的,便是「超級適居行星」。目前,葛利斯 370b、葛利斯 581c、葛利斯 581d、葛利斯 581g、葛利斯 832c、克卜勒 22b、克卜勒 62e、克卜勒 62f、克卜勒 69c、克卜勒 186f 和克卜勒 442b 等等,皆是超級適居行星的代表。為了探究這些星球是否有生命存在,最具表性的行動莫過於「搜尋地外文明計畫」(SETI)。

地球數以萬億計的物種中,人類算得上是最具高等智慧的生物。但假設——遙遠的某顆行星上也有「智慧生命」的存在,那麼,對方是否有可能比我們先進?他們能透過量子力學的應用而發明電子產品嗎?他們能掌握陽光、電磁等能源嗎?他們是否有完善的醫療、教育、經濟、社會結構?又或者,他們是否已然可以達成人類難以觸及的瞬時旅行?

在探討這個問題之前,先讓我們回到「人類」身上。人類是因為達成了哪些「成就」,而擁有了智慧呢?

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費米悖論:我們為何從未接觸過外星智慧?

或許宇宙深處已然有著科技程度比我們先進數百萬年的高等文明,那些 III 型文明或許早已可以駕馭光速飛行、甚至能掌握時空動力學跳脫距離限制到訪地球。根據「德雷克公式」(Drake equation),銀河系中可能與我們接觸的先進文明數量大約可以表示為:

其中,等號右側從左至右依序為:銀河系恆星形成速率、恆星系統有行星的可能性、位於適居帶行星的平均數目、行星上發展出生命的可能性、生命演化成為智慧文明的可能性、智慧文明得以進行通訊的可能性、以及該智慧生命的預期壽命。根據估算,可能與人類通訊的智慧文明在銀河系中最少一千、最多則高達一億個。

我們總是如此預估:在擁有 137 億年歷史的廣袤宇宙中,與地球類似的星體非常多,先進地外文明的存在性相對而言也非常高,而德瑞克公式更意味著本銀河系中便可能有成千上萬個智慧文明存在。於是,一個矛盾產生了:

既然宇宙的尺度與年齡意味著高等文明應當存在,那麼——為何這個敘述迄今沒有得到充分的科學證據支持?

更簡潔的說法,便是:

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宇宙中高等文明存在的可能性極高,然而為什麼這些智慧生命至今尚未與我們接觸過?

這便是著名的「費米悖論」(Fermi paradox)。關於這項提問,也出現了各種不同的說法或解答。

第一種答案認為,目前其實並沒有外星文明存在,因為:

  • 生命誕生的條件是極其稀罕的,有可能進化失敗、又或許尚未崛起(地球殊異假說)。
  • 自我摧滅:智慧生命在能完成恆星際旅行之前,便可能因為核戰爭、生化戰爭、或是資源枯竭等災難而自我毀滅了。

第二種則認為,外星文明其實存在,卻因為:

  • 尺度限制:受限於空間限制,使得智慧生命不容易前來;此外,也有可能是外星生命已經接獲人類的訊號,只是訊號尚未返回地球。
  • 技術因素:外星文明未必比地球文明進步;又或是,人類找尋外星生命的方法有誤,也有可能外星技術現象與自然現象過於雷同而難以區辨。
  • 刻意緘默「動物園假說」(zoo hypothesis)意味著外星智慧有可能已經收到人類訊息,但為了觀察人類舉動而不願回答;或者,科幻作家劉慈欣提出的「黑暗森林法則」認為,在尚未分別對方意圖之時、為保有宇宙資源等利益,刻意隱匿行蹤,必要時可能摧毀對方文明;又或者,基於技術奇點(technological singularity),與人類差別太遠從而無法有效答覆。
  • 已然接觸:外星智慧已然與人類接觸,但可能因為維度差異、或者隱匿行蹤,致使人類尚未發覺。例如文章中所提及的「馮紐曼探測器」(von Neumann probe)預示著:智慧文明可能透過奈米乃至於原子尺度的探測針、散播並且監控著地球人的舉動。

對於地外文明的探索與展望

對於探索地外文明,人類的野心從未止息。1972 年,無人探測器先鋒號裝載了一塊鍍金鋁板,其中囊括一些有關人類科技的基本訊息,例如——人類的身材面貌、氫原子躍遷圖示(用以表示長度與時間單位)、太陽系位置、以及地球的所在地等等。這塊「先鋒號鍍金鋁板」(Pioneer plaque)雖然不是第一個離開太陽系的人造物件(第一個離開太陽系的是航海家一號),但卻是第一個攜帶了人類文明訊息離開太陽系的人造物件。

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先鋒號鍍金鋁板上面所鐫刻的訊息。圖/Planetary

如同先前提及的,SETI 或許是最具代表性的團體。1974 年,SETI 透過無線電訊息發送了知名的「阿雷西波訊息」(Arecibo message)至遠在 25,000 光年外的 M13 球狀星團。這串訊息陣列包含了:二進位數字、DNA 序列、核苷酸、雙股螺旋、人類平均身高與人口、行星系統、以及望遠鏡結構。假設 M13 星團的外星文明接收到訊息,那麼根據傳播速度推算,人類接收到回覆大約是五萬年之後的事了。

阿雷西波號所發射的無線電波信息,其中攜帶了人類相關的基本資訊。圖/PHL

1977 年,有鑒於先鋒號刻板基礎,以薩根為主的 NASA 委員會將地球上的 55 種語言、各種大自然的聲音、不同年代的音樂,以及有關於科學、人體構造、生態、建築物、交通建設、書信文物等 116 張影像,一併收錄至一張唱片裡,其中還包括時任總統卡特(Jimmy Carter)的書面信息,再透過航海家探測器發射至太空。這張「航海家金唱片」(Voyager Golden Record)預計 4 萬年後才會到達距離太陽系 1.7 光年的地方。

航海家金唱片及其所攜帶的信息。圖/NASA

雖說上述訊息目前為止都尚未得到回覆,當然,就宇宙尺度而言恐怕要等到數萬年後才會有所答覆。不過,值得一提的是,近年來天文學家透過克卜勒望遠鏡觀測到 KIC 8462852(又稱 Tabby 星、博雅吉安星)的光度有異常變化。

關於這個變化,有人認為可能是新形成的恆星塵埃造成的,但是科學家在觀測後尚未發現相關跡象;有人認為是星體碰撞下的殘骸導致的,然而克卜勒望遠鏡觀測到此情況的機會亦非常低;也有人認為是彗星群受到重力影響而朝往該恆星方向運動,不過這說法無法解釋為何光度會顯著下降。

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這光度異常不規律的起伏至今仍是謎團,而所有證據彷彿指向了另一個極端的可能性——人工巨型結構(即「戴森球」)。假設該恆星系統有高等文明存在,便得以透過「戴森雲」這類結構控制恆星能量。乍聽之下似乎無比驚人,然而,目前唯有這個說法可以合理解釋光度的異常變化,因此,科學家並不否定 KIC 8462852 存在先進外星文明。

作者註:目前 KIC 8462852 的光度變化,科學界基本上已經排除戴森球的可能性

我們期待這些有關外星智慧的謎團能夠解開,也期許人類文明能在短時間內擺脫戰亂、資源枯竭等危機,從而在本世紀末順利躍升成為第 I 型文明。最後,讓我們引用 1977 年收錄在航海家金唱片中、吉米・卡特前總統的一段語錄作為總結:

「這個禮物來自於有點遙遠的世界,夾帶著屬於我們的聲音、我們的科學、我們的圖像、我們的音樂、我們的思想、以及我們的感觸。我們嘗試永存現有的時光,好讓來日得以共生於你們所處的時光中。我們期望有朝一日,能夠共同解決彼此所面臨的難題,並且聯合組成一個星系文明。這張唱片象徵著我們的希望、我們的決心、以及我們的善意——在這浩瀚且壯麗的宇宙中。」

參考文獻

  • 加來道雄,《穿梭超時空》,台北:商周出版,2013
  • 加來道雄,《平行宇宙》,台北:商周出版,2015
  • 卡爾.薩根,《宇宙・宇宙》,台北:遠流出版事業股份有限公司,2010
  • 史蒂芬.霍金,《胡桃裡的宇宙》,台北:大塊文化,2001
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Castaly Fan (范欽淨)_96
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科學研究者,1999年生於台北,目前於美國佛羅里達大學(University of Florida)攻讀物理學博士。2022年於美國羅格斯大學(Rutgers University)取得物理學學士學位,當前則致力於學術研究、以及科學知識的傳播發展。 同時也是網路作家、《隨筆天下》網誌創辦人,筆名辰風,業餘發表網誌文章,從事詩詞、小說、以及文學創作。

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突然畢業了,阿雷西博天文台將永久關閉QQ
科學大抖宅_96
・2020/11/24 ・4201字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 536 ・七年級

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2020 年 11 月 19 日,美國國家科學基金會(National Science Foundation, NSF)宣布,史上最知名的望遠鏡之一——位於波多黎各(Puerto Rico)的阿雷西博天文台(Arecibo Observatory)即將永久關閉,震驚學界。

阿雷西博天文台乃隸屬於美國國家天文學和電離層中心(National Astronomy and Ionosphere Center, NAIC)的無線電望遠鏡,其最顯著的特徵包括直徑 305 公尺的球面反射器盤(spherical reflector dish),以及懸吊在盤面上方 137 公尺、重約 900 噸、由三座鋼筋混凝土高塔連結 18 條鋼纜所撐起的儀器平台。

俯瞰阿雷西博天文台。圖/Wikipedia

從 1963 年建成以來,阿雷西博天文台一直保持著世界最大單孔徑望遠鏡的紀錄,直到 2016 年為止。它是波多黎各主要的科學教育中心,也培育出許多天文學家和工程師,甚至出現在流行文化裡,如電影《接觸未來》(Contact)和 007 電影《黃金眼》(GoldenEye)。

007 電影《黃金眼》中出現阿雷西博天文台的片段

然而,就在 2020 年 8 月和 11 月,阿雷西博天文台的兩條鋼纜先後斷裂;考量到維修的困難與高風險,這座產出許多科學研究的標誌性天文望遠鏡,面臨被拆解的命運……在這感傷之際,讓我們一起追憶阿雷西博天文台的一生。

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冷戰的雷達需求促成天文台誕生

1945 年,因應二戰後的局勢,美國成立了空軍劍橋研究實驗室(Air Force Cambridge Research Laboratories)[1]。在冷戰背景下,其於 1949 年發明了利用電話數據機傳輸數位資料的技術(即早期網際網路傳輸所使用的方式)。1951 年,空軍劍橋研究實驗室的工程師首度發表文章,討論利用球面接收器接收電磁訊號的可能性;同時,美國國防部也因為遠程雷達和通訊的需求,對建造世界最大的天線來研究電離層很有興趣——這促成 1959 年空軍劍橋研究實驗室和康乃爾大學(Cornell University)簽署了成立阿雷西博天文台的合約。

天文台位於波多黎各北海岸的自治市阿雷西博;其設計和建造,由時任康乃爾大學教授的戈登(William Edwin Gordon,1918 – 2010)負責籌劃,於 1963 年落成。

望遠鏡的反射器盤建基於天然形成的滲穴之中,1974 年升級後由 38778 片穿孔鋁板製成;從遠處不同方位過來的電磁波會被盤面反射,分別聚焦於不同位置,懸吊於上空的接收器便會依據觀察目標移動到適當的接收點。

從不同方位過來的電磁波(綠色和紅色平行線條)會被反射器盤反射並聚焦於不同焦點,所以可以藉由接收器的移動來接收天空中不同方向來源的電磁波。圖/Physics today, Volume 66, Issue 11

一如當初的計畫,阿雷西博天文台的主要功用在研究地球的電離層、接收來自遙遠宇宙的無線電波訊號,以及使用雷達技術探索太陽系土星軌道之內的天體。幾十年來,阿雷西博天文台經歷數次升級,一直是天文學和大氣科學的研究重鎮:它擁有世界最大的電磁波接收區(也就是反射器盤);當其他無線電望遠鏡花費數小時才能收集到足夠的電磁波訊號,阿雷西博天文台只需要幾分鐘。

發現脈衝雙星,間接證實重力波

阿雷西博天文台開始運作之後,做出的科學貢獻多不勝數。例如,1964 年天文學家彼騰吉爾(Gordon H. Pettengill, 1926 –)的團隊藉由雷達脈衝發現水星的自轉週期為 59 天,有別於原先認為的 88 天;1968 年,洛夫萊斯(Richard V.E. Lovelace)利用阿雷西博天文台,提供了蟹狀星雲脈衝星(Crab Pulsar, PSR B0531+21,自轉週期 33 毫秒)存在的確切證據,也是第一顆被確認為跟超新星殘骸有關的中子星。

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1974 年,赫爾斯(Russell Alan Hulse, 1950 –)和泰勒(Joseph Hooton Taylor Jr., 1941 –)發現第一對脈衝雙星(脈衝星和中子星)系統;之後,其被用來作為廣義相對論的高精度測試——這一項發現成為廣義相對論中,重力波存在的間接證據,也是他們獲得 1993 年諾貝爾物理學獎的重要原因。

1990年,波蘭天文學家沃爾茲森(Aleksander Wolszczan, 1946–)從阿雷西博天文台發現了脈衝星PSR B1257+12,並於兩年後,發現有兩個行星(之後又找到第三個)繞行PSR B1257+12,這也是人類史上第一次發現太陽系外的行星。

除此之外,阿雷西博天文台也能拿來研究天體的地貌:1989 年 8 月,趁著小行星 4769 Castalia 經過,離地球的最近距離僅 4,029,840 公里(約地球到月球距離的 11 倍),科學家利用天文台雷達描繪出小行星 4769 Castalia 的 3D 樣貌;至今,阿雷西博天文台已經研究過數百個近地小行星(near-Earth asteroids, NEAs),除了可以分析它們撞擊地球的可能性,也能幫助我們理解太陽系的起源和演化。1994 年,阿雷西博天文台則被用來研究水星南北極隕石坑內可能存在的冰層。

阿雷西博天文台亦針對星系進行無線電波頻率的大範圍掃描,並於 2008 年發現星系阿普 220(Arp 220)中存在有機化合物分子。另外,在大氣物理學領域,它增進了我們對高層大氣,特別是電離層的認知與理解。

向宇宙發送訊息,等待外星文明回應

阿雷西博天文台的 305 公尺孔徑紀錄,雖然在 2016 年被中國的五百米口徑球面射電望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST, 簡稱天眼)超越,但阿雷西博天文台的地位卻無法被取代——其中一個很大的原因是,天眼只有接收訊號的功能,沒有發射訊號的設計;而阿雷西博天文台不僅可以接收,也能發射訊號(所以具有雷達的功能)。

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最有名的例子,是 1974 年,天文學家德雷克(Frank Drake, 1930–)和其他研究者——包括天文學家兼科普作家薩根(Carl Sagan, 1934 – 1996),設計了知名的阿雷西博訊息(Arecibo Message),內容包含人類的 DNA 結構,和太陽系的介紹等等,以強力的電磁波從阿雷西博天文台發送向距離地球 25000 光年的球狀星團 M13。雖然無法期待在不久的將來能收到回覆,卻是人類主動接觸外星文明的重要嘗試。

反過來說,阿雷西博天文台接收到的無線電波,也能拿來分析是否包含外星智慧文明發出的電磁訊號。於是,在早期美國國家航空暨太空總署(National Aeronautics and Space Administration, NASA)的搜尋地外智慧計畫、或者民間著名的 SETI@home 計畫[2],分析所用的數據,部分便來自阿雷西博天文台。

阿雷西博訊息。顏色為分類、方便閱讀之用,原始訊息不包括顏色。圖/Wikipedia

結構不穩,無可奈何的退役決定

儘管功績卓著,且有著不可替代性,阿雷西博天文台仍然面臨拆除的命運。雖然有在定期維護,但經費的短缺加上歲月的流逝和地震、颶風的侵襲,都增加了望遠鏡結構的不確定性。

首先是 2020 年 8 月 10 日,一根連結到儀器平台、安裝於 90 年代的輔助鋼纜從托座鬆開,破壞了反射器盤面邊緣的鋁板;工程師在檢查損壞狀況時,發現儀器平台的 12 根主要支撐鋼纜中,有一根鋼纜的組成鋼線存在少許損壞,但評估後認為對安全性不造成影響。怎知到了 11 月 7 日,該主要支撐鋼纜從中間斷裂,在靠近反射器盤面中心的區域撕開了大裂口——既然原本認為安全的鋼纜斷了,剩下的鋼纜是否真的安全無虞?又能支撐多久?沒有人知道。

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現在,任何時刻都可能有更多鋼纜斷裂或鬆脫,一旦最壞的狀況發生,整個儀器平台將掉落到望遠鏡盤面上,或者損害附近的建物;甚至,任何想要穩定或測試鋼纜的努力都可能加速剩下鋼纜的損壞。為此,美國國家科學基金會正在研擬計畫,在可控的狀況下拆除儀器平台——這是個艱難的決定,但一切以安全為優先。

事實上,出於經濟考量,美國國家科學基金會前些年都在為阿雷西博天文台的經費苦惱:在 2017 年,美國國家科學基金會和國家航空暨太空總署一年分別提供高達 800 萬和 360 萬美元的營運費用,所費不貲;到了 2018 年,才由中佛羅里達大學(University of Central Florida, UCF)承擔阿雷西博天文台的營運,並補足美國國家科學基金會逐年縮減的天文台經費。沒想到人算不如天算,阿雷西博天文台被迫永久關閉,這無疑是科學界的一大損失。

現在阿雷西博天文台的反射器盤面破了一個大洞。圖/University of Central Florida/Arecibo Observatory

研究暫停,無可取代的電波望遠鏡

阿雷西博天文台自 1963 年啟用以來,對天文學、大氣科學和行星科學貢獻良多;它是第一個發現系外行星的望遠鏡,也是搜尋地外文明的重要工具。它在科學教育面向深受好評,每年有十萬人到阿雷西博天文台參觀,包括許多學生;那兒不僅有天文學、高層大氣物理學的展覽,還有可以俯瞰巨大反射器盤面的觀景平台。

儘管年紀大了,但阿雷西博天文台持續升級,原本也預定在接下來數年安裝新儀器,像是將大幅提高望遠鏡靈敏度、價值 580 萬美元的天線――這一切都成為泡影。阿雷西博天文台退休後,許多研究都必須暫停,只有部分計畫得以找到替代設施,或是能夠留在天文台原址繼續進行。往後,我們只能在記錄中,緬懷這座極具歷史意義的無線電望遠鏡,令人唏噓。

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註解

[1] 空軍劍橋研究實驗室於 2011 年被整併,最終演化成現今美國空軍研究實驗室(Air Force Research Laboratory)的一部份。空軍研究實驗室致力於領導航太作戰科技的發明、發展和整合,計畫空軍的科學、科技方案並執行,以及為美國空中、外太空和網際空間的部隊提供作戰能力。

[2] SETI@home,是一個通過網際網路利用個人電腦處理天文數據的分布式計算項目;其試圖通過分析無線電望遠鏡收集到的無線電信號,搜尋地外智慧生物存在的跡象。

參考資料

  1. Alexandra Witze, Legendary Arecibo telescope will close forever — scientists are reeling, Nature, Nov. 19 (2020).  
  2. Alexandra Witze, Arecibo telescope wins reprieve from US government, Nature, Nov. 16 (2017) 
  3. Daniel Clery, Famed Arecibo telescope, on the brink of collapse, will be dismantled, Science, Nov. 19 (2020).
  4. Daniel Clery, Adrian Cho, Iconic Arecibo radio telescope saved by university consortium, Science, Feb. 22 (2018).
  5. Daniel Altschuler, Chris Salter, The Arecibo Observatory: Fifty astronomical years, Physics Today 66, 11, 43 (2013).
  6. Paul H. Carr, Early history of Arecibo Observatory, Physics Today 67, 6, 11 (2014).
  7. Telescope Description about Arecibo Observatory
  8. Air Force Research Laboratory – Wikipedia
  9. Arecibo Observatory – Wikipedia
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科學大抖宅_96
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在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/