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如何与素未谋面的外星文明进行交流?

NASA中文爱好者团队
09-13 22:01
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“……仅仅瞥了一眼,他就已然断定,闪亮的金光不是宇宙的鬼斧神工,而是来自一个未知文明的尘封记忆……”

图1:金唱片外壳全貌

图片来源:voyager.jpl.nasa.gov

图2:金唱片

图片来源:www.jpl.nasa.gov/images/

想象你是一位外星人科学家,当你拿到一块数亿年前未知文明的“遗物”, 要想正确拆封、读取其中的信息,应该从何下手呢?

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40年前的1977年,天文学家卡尔·萨根也在思考同样的问题。旅行者号飞船从某种角度为人类文明提供了两张通往“永恒”的船票,如何能讲出数千年、数万年甚至百万年后外星文明听的懂语言、读的懂的故事,这对于处于幼稚期的人类决非易事。

然而,我们可以从另一个角度考虑。能够在银河系中打捞到我们飞船的外星文明,想必已掌握了星际巡航的能力。一个文明要想摆脱引力束缚,探索星辰大海,必须精通数学和物理。既然对方拥有如此能力,那么我们之间就有了共通的语言——科学。

于是,卡尔·萨根带领一组团队,构造出了一套以宇宙真理为基础的符号化说明书,刻印在金唱片的外壳上,帮助外星文明重构金唱片中的信息,了解这个依旧存在或早已消失的生命星球。

而对于外星人来说,这些抽象的符号应该按照图3中的顺序进行解读。

图3:金唱片符号图像阅读顺序

第一部分:建立共同的时间单位

图4:氢原子以及它的两种自旋状态图示

图4的图形是读取唱片中数据的唯一钥匙,这个图形是对氢原子基本跃迁的图示说明。这把钥匙的原理是什么呢?

现在我们就要补充些科学知识了:

首先为什么选中了氢原子?因为氢是宇宙中最丰富的元素,一个能进行星际巡航的文明应该不会对宇宙环境一无所知。

其次,在量子力学的描述中,氢原子的质子和电子都处于自旋状态。由于自旋方向任意,质子、电子间的自旋会呈现两种状态——自旋方向相同或自旋方向相反,即所谓的平行与反平行状态。处于平行态的氢原子能量要比反平行状态的氢原子能量高。当平行态的氢原子跃迁到反平行态时,会以电磁波的形式放出特定频率的能量辐射。在宇宙的任意位置,这个波的周期都为0.7纳秒。

注意到横线下面那个小竖线了吗?它表示二进制中的1,这说明在唱片中,我们以0.7纳秒为1个单位时长、以二进制的方式进行时间计量。可以说,氢原子在这里就相当于一块放之四海皆准的宇宙钟表,只要外星文明也熟悉氢原子的这种能级特性,我们就可以和外星人建立起相同的时间单位。同时我们也希望向外星人阐释以二进制为基础的计数方式(如图5)。在这些信息的基础上,他们才能读取出唱片中更高层次的信息。

图5:金唱片中携带的阐明数学基础的图片,其中有二进制、十进制表示以及运算法则

图片来源:voyager.jpl.nasa.gov/galleries/

第二部分:我们的地址

图6:金唱片中的脉冲星地图

这是唱片外壳上一个非常显眼的图形符号,相信可以进行星际巡航的文明对它应该都不陌生。

它是一幅地图,显示了我们的太阳和周围14个脉冲星之间的位置关系(脉冲星:一种发出固定频率电磁脉冲的天体,可以作为宇宙信标)。

图形中每一条射线上都有起起伏伏的标记,它们是用先前定义的1和0表示的一串二进制数,标记了这颗脉冲星独一无二的脉冲频率。不过,霍金老爷爷以及其他一些科学家比较担心这种毫无保留的地址广播方式,请自行联想三体……

图7:金唱片中携带的说明太阳在银河系位置的图片

图片来源:voyager.jpl.nasa.gov/galleries/

第三部分:唱片的正确播放姿势

图8:唱片侧视图

图8表示的是唱片和唱头的侧视图。图像下面的二进制码告诉了外星人唱片播放完一面需要多少时间——54分钟。别忘了我们的时间单位是0.7纳秒,图8的二进制数转换为十进制为4,587,025,072,128,再乘上单位时间,就可以得出播放完一面的时间。

图9:唱片俯视图

众所周知,想要播放这样的唱片,留声机必不可少,其关键组件是唱针和唱头。旅行者飞船的设计团队已经很贴心地将它们存放在了飞船上。同时,播放唱片的起始位置以及播放速度也至关重要。图9直观地显示了唱片是从外沿开始播放的。在唱片圆外标记的二进制数说明了唱片旋转一圈所需的时间——3.6秒。

至此,如果外星文明领悟到了正确的信息,它们就可以听到来自地球的问候、美妙的音乐、以及地球上的自然之声。不过听着听着,所有的声音就会变得嘈杂尖锐,这倒不是唱片出了问题,而是他们听到了唱片中储存的图像信息

第四部分:唱片中图像数据的可视化

图10:图像信息存储方式图示1

图10是用来解码唱片中的图像数据的示意图。最左边的均匀振荡反映了每张图片前都有的引导波形,它将告诉外星人一张全新的图像即将开始。后面的三个不规则波形,显示的是某一副图像的前3行。不规则波形下面的一串二进制码,告诉了外星人读取每行图像波形所需的时间——8微秒。再往下的三个锯齿波显示的是各行图像数据的排列方式。

图11:图像信息存储方式图示2

图11中的符号是想让外星人直观了解一副图像的构成情况,图11中“符号1”显示了如何将一副图像的512行数据“折叠”成一副完整图像(在方框外面的二进制数是512)。左边的二进制数是16,表示这些图像具有16级灰阶。

对于唱片中的20张彩色图片,每一张图片的信号将重复播放三次,第一次代表红色、第二次代表绿色、第三次代表蓝色,随后将三原色的数据整合即可得到完整的彩色图像,bingo!

而“符号2”代表的是116张图片中的第一张图片,这是专门为外星人提供的数据解码校验图片。如果外星人解码正确,他们从唱片中看到的第一幅图像会和这个图案一模一样。

下面就让我们提前浏览一下外星文明即将看到的图片吧!

视频:金唱片中的116张图片

第五部分:隐藏技能

图12:金唱片外壳上铀238的位置

金唱片的外壳是铝制的,其上镀了一块纯的同位素铀-238,这相当于一块刻有日期的化学铭牌。铀-238的半衰期大约为45亿年,对于将在银河系航行10亿年的旅行者号来说绰绰有余。

通过对这特殊的铭牌进行同位素测年,打捞到飞船的外星文明可以知道“旅行者”是多少年前的“大宝贝”。

最后再说一句,金唱片并不是纯金打造的,它是一张直径30厘米的镀金铜盘。

一些遐想

这里我要强烈推荐一下纪录片《宇宙时空之旅》,爱好天文、向往宇宙的同学一定不能错过,其中有一段讲述了旅行者的故事,是所有“旅行者”短片中我最喜欢的,在这里与你分享。(请点击文末“阅读原文”观看)

仅仅40年时间,人类已经将旅行者1号送入星际空间,旅行者2号也已经走到了太阳系边缘。假如宇宙中存在比我们更高级的生命形态,他们是否已经在数万年、数百万年、甚至数亿年之前就将同样功能的探测器送出了母星,等待未知的文明前来一探究竟?人类是不是已经可以做些什么了?

不要回答!不要回答!不要回答……

参考资料:

https://voyager.jpl.nasa.gov/golden-record/making-of-the-golden-record/

https://www.vox.com/2015/11/11/9702090/voyager-golden-record-pictures

作者介绍

杨一超,物理电子学在读博士,爱好航天、空间技术。你还可以关注他的B站频道“杨Arthur”,观看更多有知识、有意思的航天类视频。

本文来自,视界面(AstroEH),已授权。

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