□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻譯 程思淼

搜尋先進(jìn)地外文明科技的痕跡

□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻譯 程思淼

柯文采

（Thijs Kouwenhoven）

北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所（KIAA）百人計(jì)劃學(xué)者。

地球上的科技：過去與未來

“也許外星人從未造訪過我們——因?yàn)樗麄兛戳丝吹厍?，覺得上面沒有智慧生命的痕跡。”

——尼爾?德葛拉司?泰森（Neil deGrasse Tyson）

20世紀(jì)，人類在發(fā)展新技術(shù)方面取得了巨大的進(jìn)步。其中很多技術(shù)徹底改變了我們的生活。很難想象，如果離開了汽車、飛機(jī)、化石燃料，我們的生活將會(huì)變成什么樣。就個(gè)人來說，我現(xiàn)在已經(jīng)很難想象，自己的青年生活竟然是在沒有手機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代度過的。那時(shí)候還沒有這些東西。上小學(xué)的時(shí)候，我曾夢想著視頻電話和便攜電視播放器在2000年成為現(xiàn)實(shí)。如今，它們確實(shí)在我們的手機(jī)上實(shí)現(xiàn)了。

在我的祖父母還年輕的時(shí)候，他們?cè)谵r(nóng)場過著簡單的生活，在那里長大。他們不可能想到，2015年世界會(huì)變成什么樣。當(dāng)然，我們現(xiàn)在還沒有飛行汽車，但生活的每一方面幾乎都發(fā)生了巨大的變化。再往前追溯，我的曾祖父母大概不會(huì)想到，今天我們能坐著飛機(jī)在天空中翱翔，或者通過聊天軟件跟世界另一頭的朋友實(shí)時(shí)聊天?；蛟S他們也做過飛天的夢，但是我敢肯定，他們絕不會(huì)認(rèn)為一架400噸重的龐然大物（空中客車A380客機(jī)）能在24小時(shí)之內(nèi)飛到世界的另一端去。直覺告訴他們，在這個(gè)世界上，那是不可能的。

現(xiàn)在，讓我們換個(gè)方向來考慮一下未來的事。世界一百年以后的樣子也是難以想象的。那時(shí)候我們都會(huì)擁有飛行汽車嗎？我們會(huì)在我們的大腦里植入記憶芯片嗎？或者我們能在春節(jié)的時(shí)候去月亮上玩一趟？誰知道呢，不過，一百年后的世界肯定和現(xiàn)在大不一樣。更別說一千年、一萬年了。那么回到天文學(xué)上來：如果一個(gè)外星文明在技術(shù)上領(lǐng)先我們一千、一萬、甚至一億年，他們看上去會(huì)是什么樣子呢？這真是難以想象的事。

空中客車A380客機(jī)，圖片來源網(wǎng)絡(luò)。

圖片來源：https://www.artstation.com/artwork/dyson-sphere（levy wang）

外星科技？你說真的？

“任何足夠先進(jìn)的技術(shù)都無異于魔法。”

——阿瑟?C?克拉克

科學(xué)上最重要的問題之一就是：我們?cè)谟钪嬷惺欠袷枪陋?dú)的？或許人類是宇宙中唯一的智慧生命形式。又或許在我們的銀河系中還有很多其他的文明。無論答案如何，對(duì)這個(gè)問題的確切回答都將成為迄今最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。不過，到現(xiàn)在為止，科學(xué)上的證據(jù)還不足以支撐兩個(gè)答案當(dāng)中的任何一個(gè)。因此，我們不妨先看看天體物理學(xué)在這方面有什么可做。

要搜尋宇宙中生命的痕跡，一條路是去“監(jiān)聽”來自太空的信號(hào)。比如，經(jīng)典的SETI（地外智慧生命搜索）項(xiàng)目就在做這樣的事，本欄目上期何銳思教授的文章對(duì)此有詳盡的介紹。另一條路是去尋找外星科技的痕跡。地外文明可能已經(jīng)發(fā)展出了遠(yuǎn)超過人類水平的科技，而它們會(huì)在太空中留下能夠直接或間接觀測到的痕跡：從位于銀河系另一端的巨大的宇宙飛船，到也許正在探索我們太陽系的微小的納米探針。我們并不知道要找的是什么，甚至有可能實(shí)際上什么也沒有。但如果我們不去尋找，那就肯定什么也找不到。通過下面兩個(gè)例子，讓我們看看科學(xué)家們對(duì)這個(gè)問題是怎么說的。

甚大天線陣（VLA），圖片來源：CGP Grey。

光帆：節(jié)能的太空旅行

光帆是太空中巨大的“帆”，用來收集盡可能多的太陽光。它們可以用于行星際的交通，也可作為巨大的太陽能板吸收或者反射太陽輻射的能量。世界上首個(gè)大型太陽帆有望在幾十年內(nèi)研制成功。地外文明的科技發(fā)展也許遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先我們，他們可能已經(jīng)有了巨型的太陽帆。這些太陽帆在遙遠(yuǎn)的距離上也有被探測到的可能。[圖片版權(quán)：Josh Spradling/The Planetary Society]

目前所有在太陽系中穿行的太空探測器，都是以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的?；鸺拇_很勝任這個(gè)任務(wù)，不過它有一個(gè)大問題：推動(dòng)飛船需要燃料，而推動(dòng)這些推動(dòng)飛船的燃料，就需要更多的燃料，而要推動(dòng)這些更多的燃料，又需要更多、更多的燃料。穿越太陽系的旅程所需的燃料總數(shù)，可以通過“火箭公式”準(zhǔn)確地算出。得到的結(jié)果是，一艘小小的飛船需要的燃料遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了它自身的重量。為什么中國的月球探測器需要那么龐大的火箭？這就是原因所在：火箭里面都是燃料。對(duì)于更為遙遠(yuǎn)的太空旅行，使用火箭燃料希望實(shí)在渺茫。我們必須另找辦法。

在地上展開的光帆，圖片來源：http://mashable.com/2015/05/19/lightsail-bill-nyelaunch/#wOwPZjZOuqk5（Justin Foley）。

使用“光帆”是最著名的辦法之一?！肮夥笔敲娣e巨大而厚度極小的“帆”，它可以在太陽光壓的推動(dòng)下向遠(yuǎn)離太陽的方向運(yùn)動(dòng)。這為在太陽系周圍旅行提供了一條節(jié)能之路，我們不需要攜帶大量的燃料。不過在操作上還有一些問題：光帆只能在一個(gè)方向（遠(yuǎn)離太陽）上運(yùn)動(dòng)，而且太陽產(chǎn)生的光壓實(shí)在太過微弱，光帆的速度會(huì)很慢。這個(gè)困難可以通過人造強(qiáng)輻射光源（比如，從地球射出一束強(qiáng)激光）來克服，以使飛船能夠飛到更遠(yuǎn)的地方。

光帆的另一個(gè)——也許是更實(shí)用的用途，是通過收集或反射太陽光為地球提供能源。在這個(gè)意義上，光帆可以看作太空中的巨大太陽能板。雖然人類使用光帆可能還需要等上一百年，但是地外文明也許早就開始使用它們了。

今年早些時(shí)候，哈佛大學(xué)的兩位天文學(xué)家，詹姆斯?圭洛孔（James Guillochon）和亞伯拉罕?洛布（Abraham Loeb）探討了探測地外文明建造光帆的可能性，并在學(xué)術(shù)期刊《天體物理學(xué)雜志通訊》（Astrophysical Journal Letters）上發(fā)表了他們的結(jié)果（原文見http:// lanl.arxiv.org/abs/1508.03043）。他們的推理如下：如果外星人用光束照射光帆，那么也許會(huì)有一些光泄漏出來，我們?cè)诘厍蛏暇陀锌赡芴綔y到它們。

他們?cè)谡撐闹杏懻摿诉@樣一個(gè)例子：如果一張光帆用于兩顆行星之間的交通，它們都繞著100秒差距（326光年）遠(yuǎn)處的一顆恒星公轉(zhuǎn)，那么我們從地球上能夠看到什么？外星人打出的光束應(yīng)該是很窄的，剛好能夠照在光帆上，因此不會(huì)有泄漏。最有可能觀測到光束泄漏的是飛船進(jìn)行特殊操作，比如起飛和降落的時(shí)候。作者認(rèn)為，外星文明最有可能使用微波或射電波束為光帆提供動(dòng)力，因?yàn)檫@是可以使用的電磁波中效率和性價(jià)比最高的。在做出了所有這些假設(shè)之后，作者預(yù)計(jì)，在光帆發(fā)射或降落的時(shí)候，地球上的天文學(xué)家將能在微波或射電波段看到幾秒鐘的光束泄漏。

事實(shí)上，如果同意作者的假設(shè)，探測地外文明的光帆確實(shí)是可能的。不過，始終要記得的是，這些假設(shè)中有很多都是高度猜測性的。而且還必須記住的一點(diǎn)是，即使我們發(fā)現(xiàn)了預(yù)言中的“光帆”，它也很有可能不過是一個(gè)來自自然的信號(hào)而已。

高度先進(jìn)的文明和他們的超級(jí)工程

我們還可以去搜尋的是銀河系中的“超級(jí)工程”。如果有這樣的超大型工程，那么它們多半是用來收集能源的。這是因?yàn)殡S著一個(gè)文明的發(fā)展，它消耗的能源會(huì)呈指數(shù)增長。我們這個(gè)世界的能源消耗每30年就會(huì)翻一番。也就是說，1985年我們使用的能源只有現(xiàn)在的一半，而2045年的時(shí)候?qū)⑹乾F(xiàn)在的兩倍?？傆幸惶?，地球上的能源會(huì)不夠用。而在一個(gè)行星系統(tǒng)中，最好的能量來源無疑是它的中心恒星，因此可以設(shè)想，先進(jìn)的文明將會(huì)建造大型的工程來收集恒星輻射出的能量。

在這些假想的巨型工程當(dāng)中，最著名的是“戴森球”。這是一個(gè)由太陽能板拼成的巨大球殼，嚴(yán)密地包圍著一顆恒星，以吸收它輻射出的全部能量。我們或許也會(huì)建造一個(gè)包圍太陽的戴森球，但我們還沒有準(zhǔn)備好，所以也許得等到幾千年之后了。在太陽系里建造如此龐大的結(jié)構(gòu)，要用到的物質(zhì)相當(dāng)于水星和金星的總和。在遙遠(yuǎn)的系外行星上，生命的出現(xiàn)也許比地球上要早幾百萬年，那里的先進(jìn)文明可能已經(jīng)建造了戴森球。果真如此，那么如果我們足夠仔細(xì)，就有可能在地球上觀測到它們。過去的20年里人們進(jìn)行了多次針對(duì)戴森球的搜索，不過并沒有得到肯定的結(jié)果。

瑞典天文學(xué)家埃里克?扎克里森（Erik Zackrisson）和他的同事最近試圖確定這種超級(jí)工程存在的可能性（原文見http://lanl.arxiv.org/ abs/1508.02406）。他們的方法是對(duì)大量偏離“特利-費(fèi)舍關(guān)系”（Tully-Fisher relation）的遙遠(yuǎn)星系進(jìn)行紅外觀測。特利-費(fèi)舍關(guān)系描述的是星系的亮度與其中恒星運(yùn)動(dòng)速率的關(guān)系。研究者選擇那些過于暗淡的星系，并且檢查其變暗是否可能是大量戴森球所造成的。換句話說，他們?cè)诳疾爝@些遙遠(yuǎn)的星系中是否存在著卡爾達(dá)雪夫III型文明。

能量守恒告訴我們，一顆位于戴森球中的恒星產(chǎn)生的能量，總要以某種方式釋放出去。戴森球?qū)嶋H上吸收了全部的可見光和紫外線，而向外釋放的則主要是紅外線。因此扎克里森和同事們注意觀察，這些比“特利-費(fèi)舍關(guān)系”的預(yù)言更暗的星系在紅外波段是否有多余的輻射。確實(shí)有極少數(shù)的星系表現(xiàn)出這一特征。作者得出的結(jié)論是，在我們附近的宇宙中，有不到0.3%的星系可能成為擁有卡爾達(dá)雪夫III型文明的候選者。不過，作者同時(shí)指出，對(duì)這些候選星系的奇怪特征也許有更為直接的解釋。

“戴森球”原理圖。戴森球是非常巨大的太陽能板結(jié)構(gòu)，可用來收集恒星高達(dá)100%的光能。要建造一個(gè)包圍我們太陽的戴森球，我們需要水星和金星加起來那么多的物質(zhì)。戴森球擋住了一個(gè)恒星的幾乎全部可見光和紅外輻射，但它自己也會(huì)輻射紅外線，因此我們?nèi)匀豢梢蕴綔y到。迄今在宇宙中還沒有發(fā)現(xiàn)過戴森球，我們尚不知道宇宙中是否真的存在這樣的東西。[圖片版權(quán)：Wikipedia]

藝術(shù)家想象中的戴森球，圖片來源：http://www.sentientdevelopments.com/2012/03/how-to-build-dyson-sphere-in-five.html。

藝術(shù)家想象的一個(gè)正在建造中的戴森球。[圖片來源：http://earthsky. org/space/what-is-a-dyson-sphere，作者：Adam Burn]

超鏈接：

1964年，蘇聯(lián)天文學(xué)家尼科萊?卡爾達(dá)雪夫（Nikolai Kardashev）提出了一種衡量一個(gè)文明的科技先進(jìn)程度的方法。他給出了三個(gè)等級(jí)：

卡爾達(dá)雪夫I型：

這類文明使用其母行星上可以獲得的全部能源，包括太陽能、核能、風(fēng)能、化石燃料等等。就地球來說，這相當(dāng)于大約1016瓦特的能耗。而人類文明目前消耗能量的速率大約是1013瓦特，我們要進(jìn)入卡爾達(dá)雪夫I階段，估計(jì)還有幾百年的時(shí)間。

卡爾達(dá)雪夫II型：

這類文明使用其母恒星所能提供的全部能源。這一能源大約相當(dāng)于1026瓦特。理論上說，可以通過包圍恒星的巨大太陽帆，把一顆恒星的整個(gè)能量輸出都收集起來。這樣的工程稱為“戴森球”，因著名天文學(xué)家弗里曼?戴森（Freeman Dyson）而得名。他在20世紀(jì)60年代推廣了這一概念。我們也許需要幾千年的時(shí)間才能進(jìn)入這種II型文明。卡爾達(dá)雪夫III型：

這類文明使用其所在星系所能提供的全部能量。這意味著這種文明已能在數(shù)十億顆恒星的周圍建造戴森球，或許他們還能從星系中心的超大質(zhì)量黑洞那里獲取能量。這樣一個(gè)文明的能耗將在1044瓦特左右。我們還不知道是否有文明能夠達(dá)到這樣的階段。

科學(xué)還是科幻？

一些天體物理學(xué)家批評(píng)這種搜尋地外文明科技痕跡的做法。他們認(rèn)為這完全是在浪費(fèi)資金，而且，望遠(yuǎn)鏡的工作時(shí)間也應(yīng)該用到更有用的天文項(xiàng)目中去。這種批評(píng)有一定的道理：我們?cè)谶@種項(xiàng)目上不應(yīng)該投入過多。但另一方面，我認(rèn)為，我們也不應(yīng)忘記，我們最初是為什么做天文學(xué)的：我們是為了回答科學(xué)的大問題。在這個(gè)意義上說，探索我們?cè)谟钪嬷惺欠袷枪陋?dú)的，遠(yuǎn)比發(fā)現(xiàn)星系是如何形成的要重要。不過話說回來，研究星系形成確實(shí)提高了我們對(duì)于宇宙的理解，并且給出了帶有可檢驗(yàn)預(yù)言的理論。而搜尋地外信號(hào)和科技的成果，到目前還只是一個(gè)零，沒有任何有說服力的證據(jù)。因此，我的意見是，對(duì)地外文明的可能證據(jù)保持注意是有意義的，但不要投入過多的精力和望遠(yuǎn)鏡時(shí)間。