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為什麼外星人音訊全無?

臺北天文館_96
・2013/09/10 ・1714字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 495 ・六年級

有一件事情值得好好思考:宇宙真的很大。

在我們的銀河系裡,恆星數量有4千億,在可觀測宇宙裡,有1,700億個星系。多數恆星都有行星,許多行星上含有資源豐富的礦物,要是位置在適居區中,那麼就有液態水存在。可以說,創造生命的條件無所不在。

但是到底外星人在哪裡?

再轉念思考:宇宙已經有138億年的歷史,人類則打從20萬年前開始在舞台上出現,我們存在的時間只佔整個宇宙歷史的0.01%。在數量這麼龐大的外星世界中,其他智能物種應該早就有機會出現,並且早該已經向整個銀河系強力宣傳他們的存在。

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要是任何智能物種曾發展出星際交通工具,不用幾千萬年,他們應該就可以完全攻佔我們的銀河系了,以宇宙的時間觀來看,千萬年不過一眨眼而已。

所以外星人到底在哪裡?

就我們所知,地球似乎是全宇宙唯一有生物出現的地方,更別提哪個星球有發展出什麼智能文明了。

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這令人費解的現象也就是大家或許已略有耳聞的費米悖論,由天才物理學者費米早在1950年提出。

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科學家花了幾十年的時間想解答這個秘密,電波訊號聽了幾十年,取樣的只不過是電波頻譜的一小段,現在還沒找到任何可能由智能物種發射的訊號。

這要怎麼解釋呢?

有沒有可能,地球真的是全宇宙唯一發展出生命的星球。又或許,地球的文明的確是全銀河系裡最先進的呢?不過,在外星球數量是那麼多的前提下,這未免似乎太不可能。

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或者,有可能其它這些智能物種全都在發展出文明、或者將自己的文明演進到一定水準後,就自行毀滅了嗎?核子武器、全球暖化、致命病毒、人口過剩,都有可能會終結人類。別忘了小行星!小行星撞地球當然也會使地球人滅種。但是這些事情會100%、一模一樣發生在每一個所有具高度文明的星球上嗎?如果不是100%的每個文明都這樣步入自我毀滅的終局,就算99%都難逃這個命運,至少有1%,總該會剩一兩個文明得以存續發展,並且終於移民、統治整個銀河系(包括地球)吧?

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或者,有可能是我們距離其他智能物種都太遠,彼此間無法讀到訊號?倘若真是如此,那麼,假設有些太空探測器可以成功地自行複製的話,長距離旅行應該能完成,並在每一個恆星系統留點什麼「某某外星訪客到此一遊」的紀念碑吧?

或是,也許我們沒辦法了解他們的訊號,或者無法辨識他們那些「到此一遊」的標示牌?這有點牽強,假如只有單一一次出現,或許我們會無法成功地解讀,但如果那是一系列的訊號,則人類總應該能注意得到。想必外星人應該也不至於沒辦法建造一些明顯可見的、大結構體吧?他們應該很有經驗才對。

也許外星人很怪,怪異到我們全然不能理解他們的任何意圖。或者我們太微小、太不顯眼,強大的外星人毫不覺得有必要跟我們對談?這也不合裡,其實我們並不需要和他們「實際談話」才能得知他們確實存在,就算他們只是「漠然」地飛掠我們太陽系吧,我們一定還是能注意到他們的飛掠,不是嗎?

也許有可能他們是故意不和我們講話?我們根本是被豢養在一座星系動物園裡,被當成受觀賞的目標?或者是外星人大頭目禁止他的子民跟我們講話?如果是這樣,我們不禁要問:也不會所有外星人清一色都這樣吧?其中沒有任何一個能偷偷跟我們講兩句悄悄話?
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企圖解釋費米悖論現象的可能性還有其他很多,但也許都稱不上「充分」。宇宙那麼大,歷時那麼久遠,如果外星生物和我們有點兒約略相同,「繁衍」和「向外散佈」應該是理所當然的選擇,不是嗎?

最令人擔憂的情形恐怕是,在100%智能物種身上,都難逃同一種宿命,以至於那些文明終究不能完成探索宇宙或稱霸銀河系的宏圖偉業。往好處想,也許他們已發現了一種通往其他宇宙的交通系統,去別的地方;或者往壞的想,那必然是有一股毀滅性科技,早已把除了地球以外過去所有曾出現過的外星文明全都消滅光了!

你怎麼看待費米悖論該怎麼解釋的問題?矛盾如何化解?有空想想看,這該挺有趣的。

徐遐生院士在2013年哈佛畢業班致詞時曾引述費米悖論的問題,提醒哈佛人地球只有一個,愛天文要先發現珍惜地球之美。勿忘環保!(Lauren 譯)

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資料來源:Where Are All the Aliens? The Fermi Paradox

轉載自網路天文館, 2013.08.23

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臺北天文館_96
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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

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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參考資料

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宇宙文明演化史(下):文明蘊含的資訊量與精細結構的掌握
Castaly Fan (范欽淨)_96
・2023/06/27 ・4854字 ・閱讀時間約 10 分鐘

編按:說到星際文明的發展程度,科幻愛好者必定會提到「卡爾達肖夫指數」,以使用的能源多寡,來區分文明發達程度。然而,除了從能源來評斷文明進程,其實還有其他的評判方式。

「宇宙文明演化史」系列,將在上篇回顧「卡爾達肖夫指數」,下篇介紹較少討論的「資訊量」與「微觀尺度」的評斷觀點。

資訊量的掌握層級

卡爾達肖夫指數是以「能量」作為文明分級的依據。同時,薩根(Carl Sagan)也有提出不同的分類法。他將文明所擁有的「資訊含量」作為依據,將文明分出「A — Z 級」。這些資訊量的定義很廣泛,語言、文字、影像都屬於資訊量的一部分。

在薩根的分類法中,「A 級」文明能掌握 106 位元的資訊,但目前人類史上的任何一個文明所掌握的資訊量都比這個數目還多。要超越一個 A 級文明相當簡單,比如:你只需要用「二分法」試探,例如判斷這個文明「是存在還是消亡的」。探問過二十次這樣的問題後,相當於掌握了 220 種可能性,這個數字剛好略大於 106

也就是說,這已然囊括了一個 A 級文明的所有資訊,一旦通過了這個二分法測試,就可以被判定為 B 級文明。以此類推,當人類所擁有的資訊量每增加十倍、便對應到不同的字母分級,因此,在這個分類中最為先進的是「Z 級」文明、相當於能掌握 1031 位元的資訊量。

資訊量的爆炸最早可以追溯至文字發明開始,書面文字使得人類得以記載當下、乃至於過去發生的一切歷史。古希臘時代所有的書面文物加總起來大概對應於 109 位元的資訊量,相當於薩根筆下的 C 級文明。1970、80 年代,薩根從全世界所有藏書館數以千萬計的藏書總量、頁數進行統計,我們人類從歷史上至當代所擁有的文字、語言、圖像等資訊含量總計大約是 10¹⁵ 位元,因此被歸類為「0.7 H」類文明。

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而資訊量的第二次大爆炸莫過於網際網路的誕生。當網路普及後,無論是科學、經濟、政治、醫療、娛樂、藝術等包羅萬象的事物,都裝載在網際網路之中。2016 年,全球網路所涵括的總資訊量大概是 1.3 ZB (zettabytes),大約相當於 1022 位元,對應於 Q 級文明。根據國際資訊公司(IDC)預測,人類所擁有的數據庫資訊總量在 2025 年可以達到 175 ZB,相當於 1024 位元——也就是說,當前人類正在往「S 級文明」邁進。

有趣的是,薩根推測人類初次接觸到的外星文明應當是 1.5 J 到 1.8 K 類的文明,通常他們已然克服恆星際旅行的瓶頸。至於卡爾達肖夫的第 II 型文明,大約對應於 Q 類文明;而得以掌控可觀測宇宙大部分星系的 III 型文明,則可以達到 Z 類文明的水平。畢竟掌握時空旅行需要相當複雜的計算與模擬,需要遠超越當今的人類設備所擁有的一切運算能力。

然而,從目前的角度來看,顯而易見地——我們早已超越了他所預測的第 II 型文明等級。這是因為薩根在當時提出這個分類法時,尚未預測到數十年後的今天資訊量會隨著網路的出現而劇增。即使在薩根指數定義的資訊量必須是「單一而不重複的」(比如 A 網站的圖片是從B網站引用來的、同時 C 網站也使用了該圖片,我們只能將該影像視為一組位元、而非三組),但這些資訊在枝繁葉茂的網路時代已然是幾乎不可能被估算的。

因此,薩根的這個分級法在網際網路出現後便可能無法作為合適的指標,但卡爾達肖夫指數目前依然能適用;換言之,資訊量急速暴增似乎也側面反映了「能量」對於人類而言比「資訊量」更難駕馭的事實。

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2000 年代之後,網際網路的發軔造就了資訊量呈指數成長。圖/Statista

微觀尺度的操作層級

另一個有關文明的分級是由英國宇宙學家約翰.巴羅(John D. Barrow)所提出的,是基於人類對於「微觀尺度」的「操作程度」。他發現,科學史上人類似乎不斷朝著微小尺度的事物進行探索,從生活中隨處可見的宏觀機械裝置、顯微鏡下的分析、到分子原子尺度的研究,某種程度上,「探測尺度」似乎與文明發達程度成正比。他將文明發達程度區分為下列等級:

  1. 負 I 型文明(機械文明)
    該文明能操控與個體同等尺度的一切物件,比如採礦、建築樓房、使用機械裝置等等。
  2. 負 II 型文明(生物工程文明)
    該文明能操控基因序列,或者藉由移植組織、器官來改變生命體的特性。
  3. 負 III 型文明(化學工程文明)
    該文明能操控分子,比如透過改變分子鍵結創造新物質。
  4. 負 IV 型文明(奈米文明)
    該文明得以操控個別原子,實現奈米科技在原子尺度的應用,並可能透過科技創造出複雜的人造生命體。
  5. 負 V 型文明(核子文明)
    該文明得以操控原子核,並能自由改造組成原子核的質子、中子。
  6. 負 VI 型文明(粒子文明)
    該文明將能操控夸克、輕子等組成萬物的基本粒子,並且能隨心所欲聚集粒子、駕馭高能量。
  7. 負 Ω 型文明(時空文明)
    該文明將能操控普朗克尺度(10-35 公尺)下的事物,比如量子泡沫(quantum foam)等微觀時空結構;他們將有能力透過負能量或者奇異物質控制、放大隨機漲落的蟲洞,從而具備實現時空旅行的能力。

顯而易見地,人類距離負 Ω 型文明依然來日方長。目前,人類能夠自由操控與我們相同尺度的機械物件,可以建築、採礦,也可以完成一些簡單的基因工程;在近一個世紀內,我們掌握了相對論、發明了人造衛星與 GPS,同時也因為量子力學的發跡,打造出各式各樣的電子產品。但我們尚未能夠自由改變分子鍵結、發明新物質的能力也是侷限的、更無法隨心所欲操控並改變原子結構,因此目前人類大概落在負 I 型文明與負 II 型文明之間。

尺度的數量級:愈先進的文明可能可以探測到愈微觀的結構。圖/筆者繪製

從物理學的角度來看,「探測尺度」和卡爾達肖夫指數的「能量」其實也是可以呼應的。由於相對論告訴我們宇宙中萬物都有一個速限,也就是光速,這意味著無論是能量、溫度、尺度、甚至時間單位都有一個極限值,也就是「普朗克單位」。在歷史上各種對撞機實驗告訴我們一個事實:當對撞機的能量愈高,人類所能探測的尺度就愈小。

事實上,普朗克能量(約 1.96x10^9 焦耳,相當於一輛車中 16 加侖汽油槽所提供的能量——貌似普通,然而這個值在微觀尺度下是相當大的,「焦耳」這單位在微觀世界大概相當於用「光年」換算人類尺度的距離)對應於一個普朗克質量黑洞的史瓦西半徑(約 10^(-35) 公尺,亦即普朗克尺度);用通俗的語言來說就是:一旦對撞機能量值大於普朗克能量,相當於把對應的質量壓縮到了小於史瓦西半徑的尺度,從而產生「黑洞」——即使是微型黑洞,也意味著我們的探測將被黑洞視界所設限。

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換句話說,普朗克能量相當於我們能探測普朗克尺度的所需能量;一旦超越了這個值,我們的探測將因為黑洞的產生而不再精確。因此,即使是一個無限發達的文明,普朗克長度將會成為探測尺度的最終極限,小於普朗克尺度的事物便不再具有物理意義——要注意的是,這些事實是基於目前「已知的物理理論」,假設未來文明已經掌握了結合量子場論與廣義相對論的萬有理論,這些極限值並不是沒有被推翻的可能性。

對於未來文明的展望

從最基本有機分子、形成碳基生命體、再演化成為人類這樣的智慧生命,這樣的機率可以說是趨近於零,也因為如此,才有「地球殊異假說」、甚至是「創造論」這些爭辯。我們必須剛好躲過演化史上的大滅絕事件,並且在安穩的自然環境下演化為智人。這段過程還要大概經過一、兩百萬年後,才開始有文明的誕生;而縱觀整個人類史,科學正式發跡至今其實也就只有幾百年。

把地球 46 億年的歷史濃縮在一份年曆上,人類進入舊石器時代大概對應於 12 月 31 號晚上 11 點,大概跨年前 25 秒才進入新石器時代,而從文藝復興、大航海時代、科學革命至今,在這年曆的尺度下其實根本還不到一秒鐘。這還僅僅只是地球史的尺度——如果考量到 137 億年的宇宙史尺度,科技文明的興起根本是連一瞬間都還不到的事,可見人類的科技目前還算是相當稚嫩的。

科幻作品中那些搭乘星艦、遨遊星際空間的劇情,大多數便是 II 型文明;至於可以利用曲速引擎穿越時空的,或許是 III 型文明才能實現的。對於 II 型文明而言,他們或許能夠透過「戴森球」(Dyson sphere)控制恆星能量的輸出。當一個文明的工業發達到一個程度,便能夠駕馭恆星能量,搭建一系列能源板或人造衛星,從而環繞著恆星本體、調控能量的輸出,這種大規模的人造結構便稱為「戴森球」。

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要建造這類型的結構,目前所知的方法大概就是藉由太空梭或者人造衛星在行星軌道上搭建一圈能源板,並可能需要碳纖維或者更堅韌且輕便的材料。

最基本的構造大概是建構一圈「戴森環」,再來是更多戴森環組裝成的「戴森雲」,或者可以透過光壓與重力的平衡打造出更完整的「戴森泡」;如果科技更發達,則有機會建造出完整且均勻的球殼包覆著恆星以及周圍的行星,也就是「戴森殼」,這類型結構基本上可以完全駕馭母恆星的能量、並且可以將球殼內層表面改建為太空殖民地——但這以目前人類科技水平、或者資金限制等各層面而言,數百年內是不太可能實現的。

先進文明所建造的「戴森球」想像圖。圖/space.com

2015 年,恆星 KIC 8462852 的光變曲線一度成為天文學界的謎團,因為當時天文學家們觀測到該恆星的光譜有異常,且這一異常用傳統模型(比如周邊小行星帶、彗星雲氣等理論)是無法解釋的,因此,有一部份天文學家猜測該恆星的光度變化可能源於「人造巨型結構」;也就是說,能造成光譜像觀測結果那樣異常變化的原因,唯一合理的可能性就是「戴森球」的環繞與掩蔽。

這項研究吸引了當時不少外星愛好者的興趣,畢竟這顆恆星很可能正被高等外星文明所搭建的一系列巨大人工建築圍繞著!然而,根據 2019 至 2021 年的最新研究,發現了這顆恆星其實有一顆「伴星」在外圍,而系外衛星的殘骸大規模地遮蔽了恆星、致使光度出現異常。因此,目前並沒有證據指出戴森球這種人工結構真實存在。

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綜上所述,人類文明目前還算是新生兒,也或許,宇宙中還沒有更先進的文明出現。但在躍升為第 I 型文明之前,我們恐怕會經歷各種挑戰,而有些已經發生過、有些則或許正在醞釀,例如——宗教戰爭、糧食危機、核武威脅、氣候災難等等。

從目前看來,氣候變遷便是當務之急:人類過度排放溫室氣體,溫室效應導致了海平面上升、全球暖化,間接引發了各地氣候的異常、熱浪、饑荒,並一再落入惡性循環。此外,在二戰期間人類發明並使用了核子武器,其毀滅性更是不容輕忽的。我們尚不需考慮火山、地震這些自然災害,若無法擺脫上述這些境況,人類很有可能會在蛻變為 I 型文明前便自取滅亡。

人類文明雖然已有一定的科技水平,然而在卡爾達肖夫指數中,目前仍處於第 0.7 型文明。在躍升成為I型文明之前,有可能面臨生態危機、核子戰爭而自取滅亡。上圖為正在排放溫室氣體的工業煙囪。圖/Economist Intelligence Unit

因此,在未來數十年內,除了科技的提升以外,人類的當務之急是避免氣候災害與核武戰爭的發生。而人類對於星系文明的好奇與嚮往從未間斷,誠如 1977 年發射至太空的航海家金唱片中、美國總統吉米.卡特所提及的:

「我們正邁步度過我們的年月,好讓我們得以共生於你們的時代。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共同體。」

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We are attempting to survive our time so we may live into yours. We hope someday, having solved the problems we face, to join a community of galactic civilizations.

參考文獻 / 延伸閱讀

  1. Kardashev, N.S. (1964). Transmission of information by extraterrestrial civilizations. articles.adsabs.harvard.edu.
  2. 加來道雄,《穿梭超時空》,台北:商周出版,2013
  3. 加來道雄,《平行宇宙》,台北:商周出版,2015
  4. 卡爾.薩根,《宇宙・宇宙》,台北:遠流出版事業股份有限公司,2010
  5. 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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宇宙文明演化史(上):能量觀點下的先進文明
Castaly Fan (范欽淨)_96
・2023/06/26 ・3182字 ・閱讀時間約 6 分鐘

編按:說到星際文明的發展程度,科幻愛好者必定會提到「卡爾達肖夫指數」,以使用的能源多寡,來區分文明發達程度。然而,除了從能源來評斷文明進程,其實還有其他的評判方式。

「宇宙文明演化史」系列,將在上篇回顧「卡爾達肖夫指數」,下篇介紹較少討論的「資訊量」與「微觀尺度」的評斷觀點。

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?

智慧生命的演進

誠如在這篇文章所提過的,碳基生命自發形成的機率極為渺小,從有機分子組合成蛋白質、基因序列、細胞、再到個體的行程,這個機率相當於「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,更何況是演化成像人類這樣的「智慧生命」。

我們不僅僅具有生物體的基本特徵,還具有思考能力、邏輯、記憶力、甚至是預測與規劃未來的能力,這些可以說是人類與其他生命體最與眾不同之所在。人類之所以成為「智慧生命」,便是因為擁有了自己的語言、文字,使資訊得以保留並傳承。回溯到百萬年前,從演化論的角度來看,當時人類與其他靈長類動物差異並不大;然而,我們的老祖先發現了「火」,並且懂得如何生成並且控制「火」,使得我們不再像其他動物那樣直接生食獵物;另一方面,我們開始懂得用遮羞布、乃至於之後縫製衣服。

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此外,我們能表達自己的情緒,能輕易地展現喜怒哀樂溝通,進行交際活動——這些都是人類得以成為智慧生命的原理。

順帶一提,根據物理學家加來道雄(Michio Kaku)所提出的「穴居人原理」(caveman principle),我們人類依然存有百萬年前老祖宗們「原始慾望」的影子——換句話說,數十萬年來人類雖然不斷演化,然而我們的人格依然保有原始穴居人的基因本質。舉例而言:即使有先進的電腦把文件處理完善,我們仍習慣把文件影印成紙本,之所以如此,係因原始人類捕獵動物時要求「獵殺證明」,習慣取信於親眼所見的事實。

同理,我們傾向於參與音樂會或去電影院體驗現場氛圍,而非一味觀賞電子螢幕前的動態;我們習慣社交與打扮,因此多數重要聚會並不容易被虛擬會議所取代;而在古代社會,小道消息的流通會幫助某些人們知悉高層的行動,因而扮演著一定程度重要性——而這也呼應了我們周遭充斥著娛樂與八卦的報刊,畢竟這些事物總會激起人性深處的好奇心。另一方面,穴居人法則似乎也意味著藝術、娛樂並不會因為科技發展而消失,因為這些事物能滿足人類的需求與愉悅,而這並非科技所能取而代之的。

根據穴居人原理,我們依然保有原始人類的慾望。圖/Mrs J’s science

回歸根本,可以發現,身為智慧生命,必然要有「視力」的存在、而非像螞蟻那樣透過觸角溝通,包含情緒的表達、語言的交流,這方面可以歸功於「大腦」的演化;再者,人類的「腳趾」的演化也是關鍵,這使得人類得以直立行走、改變對世界的視角與行動;此外,「前肢可握物」也扮演著重要角色,亦即靈活的手指——這使得人類可以精準地操作物件、製造工具。

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先進文明的分級

因此,我們假定這些智慧生命都擁有這些生理構造與功能,他們可以溝通、可以發明器物。那麼,有沒有一個指標能告訴我們一個「文明」究竟能多發達?

1964 年,蘇聯科學家卡爾達肖夫(Nikolai Kardashev)提出了一個度量文明先進程度的指標——「卡爾達肖夫指數」(Kardashev Scale)。經由天文學家卡爾.薩根(Carl Sagan)修正過後,可以歸結為下列公式:

其中 K 代表卡爾達肖夫指數,P 代表文明所消耗的總能量。基本上,我們可以將文明依據「駕馭能量」的量級區分成三大類型:

  1. I 型文明(K=1)
    該文明能駕馭 10¹⁶ W 的能量,相當於掌握所處行星的能量,因此又稱「行星文明」。這類型的文明可以控制天氣、調節海洋、並且到地底深處採礦,徹底運用星球資源;並且,這一類文明將能任意造訪附近行星,並在後期發展出接近光速的太空旅行。
  2. II 型文明(K=2)
    該文明能駕馭 10²⁶ W 的能量,相當於掌握所處恆星系統的能量,因此又稱「恆星文明」或「星際文明」。這類型的文明能夠透過戴森球(參見下文)或相關科技、徹底利用恆星系統的能量;他們可在各個行星、恆星之間任意穿梭,並且相繼朝往其他恆星系統殖民。
  3. III 型文明(K=3)
    該文明能駕馭 10³⁶ W 的能量,相當於掌握所處星系的能量,因此又稱「星系文明」。這類型的文明不再受限於附近的恆星系統,他們將能夠隨心所欲駕馭整個星系、甚至宇宙尺度級別的能量,並可以在星系之間來去自如;他們甚至已熟悉時空物理、得以透過蟲洞或先進技術穿越時空。
卡爾達肖夫指數示意圖,由左而右分別是:行星文明(I 型)、恆星文明(II 型)、星系文明(III 型)。圖/http://www.maximusveritas.com/wp-content/uploads/2016/06/

作為宇宙文明的分級,文明所駕馭的總能量可以視為一個標竿。宇宙中的能量是無所不在、甚至可以說是取之不盡用之不竭的。因此,能妥善利用這些能量到什麼程度,便可以視為文明「先進與否」的標準。當然,還有一些人把這列表往下延伸,諸如宇宙文明(IV 型)、多重宇宙文明(V 型)、神靈文明(VI 型)、未知文明(VII 型)等等——不過這些級別距離目前人類還算是遙不可及,我們甚至無法保證在宇宙 137 億這年齡下是否已有這麼先進的文明誕生。

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就目前而言,顯然,人類縱使歷經工業革命、資訊革命,也開發出原子能、得以進行太空探索——但似乎尚未能被列入其中之一——我們尚未有能力操控天氣、就連地底結構也都是透過震波才得以探知的。那麼,人類目前究竟處在哪一階段?讓我們簡單計算一下:根據世界能源消耗量的統計,截至 2021 年底,人類所消耗的能量約為 176,431 TWh(百萬兆瓦時),相當於 20.14 TW(百萬兆瓦),代入卡爾達肖夫指數公式:

可以直接得出卡爾達肖夫指數 K≈0.73 ——因此,人類目前約是落在「0.73 型文明」,依然位在「第零型文明」的階段。

目前人類的能量來源主要仍是石油、煤炭、天然氣;除此之外還有傳統生質能、水力發電、以及核能。在數十年內,風力發電、太陽能、生質能會慢慢取代化石燃料,而核融合技術很可能帶領人類走向 I 型文明。

當人類開始進行太空殖民、並且能妥善運用母恆星(太陽)所供應的能量後,才會慢慢朝向 II 型文明發展;而在 I 型或者 II 型文明階段,另一個能催動科技進展的很可能就是反物質(antimatter)的製造與普及。加來道雄認為,我們有機會在本世紀末或是兩百年內躍升成為 I 型文明;到達 II 型文明需要數千年;至於到達可以隨心所欲駕馭時空的 III 型文明,可能還需要數十萬至百萬年。

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1800 年代至 2021 年的世界能源消耗總量:目前人類消耗能源仍以化石燃料為多數。圖/our world in data

參考文獻 / 延伸閱讀

  1. Kardashev, N.S. (1964). Transmission of information by extraterrestrial civilizations. articles.adsabs.harvard.edu.
  2. 加來道雄,《穿梭超時空》,台北:商周出版,2013
  3. 加來道雄,《平行宇宙》,台北:商周出版,2015
  4. 卡爾.薩根,《宇宙・宇宙》,台北:遠流出版事業股份有限公司,2010
  5. 史蒂芬.霍金,《胡桃裡的宇宙》,台北:大塊文化,2001
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。