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我们不知道答案的125个科学问题(11)人类和外星人 精选

已有 8590 次阅读 2017-12-15 11:37 |个人分类:科学教育|系统分类:科普集锦|关键词:外星文明,科学问题| 科学问题, 外星文明

本系列不仅仅是Science杂志问题的个人翻译,而是试图给出一个答案的可能线索...... 

上接第(10)个问题:http://blog.sciencenet.cn/blog-318012-1089204.html    

   题记:20171214日美国NASA联合Google发布了开普勒天文望远镜在开普勒星系里新发现了两颗行星,这两个行星的发现揭示了第一个与我们太阳系行星数一样的星系。此次发现是AI技术用于天文海量数据分析的一个成果,它可以为人类在浩瀚宇宙中寻找同伴提供一个更加有力的工具。人类一直在寻找自己的同伴,然而直到今天依然一无所获。这就涉及到下面的问题:

11.人类在宇宙中是否独一无二的? Are We Alone in the Universe?

   我们在整个宇宙之中真的是独一无二的吗?这似乎不太可能。先让我们做个简单的计算:在我们的银河系里有几千亿颗恒星,在我们所能观察的宇宙范围内又发现有几千亿个星系,而仅仅在离太阳附近的区域我们就能找到150颗行星。所以从统计的角度上来说,这种状况应该可以形成足够多个像地球环境那样“温暖的复盖着营养浮渣的小池塘”,生命应该可以在那里聚合并开始它们数十亿年的进化历程,就像我们今天地球环境中的人类一样,通过漫长进化,最终成为有能力使用科学工具的智慧生物。难道不是这样吗?所以,无论如何,现在看来一个实际的问题其实不是有没有外星智慧生命的问题,而是我们究竟会在什么时候能用必要的技术手段实现与这些智能生物接触和联系的问题。我想,如果幸运的话,在未来的25年这个目标就有可能实现。

图1 宇宙中的星系、恒星和行星示意图

   在寻找地外文明最初的45年里,那些在浩瀚的宇宙中寻找外星智能生命(SETI)的科学家们也许更多需要的是运气。但1960年射电天文学家弗兰克·德雷克(Frank Drake)推出了一项划时代的奥兹玛计划Project Ozma,毫无疑问这个计划的开展给这项搜索外星智能生命的渺茫工作带来了一丝成功的希望。从1960年开始,康奈尔大学的天文学家德雷克在西弗吉尼亚州的格林班克将一台26米口径的射电望远镜对准了两颗和太阳系极其相似的星座:Tau Ceti(鲸鱼座T星)和Epsilon Eridani (波江座E星),他分别对这两颗恒星系花费了数天的时间进行了跟踪。鉴于当时的真空电子管技术,他在中心频率为1.42GHz的微波频道上只对0.4MHz的范围进行了150多个小时的断断续续的信号扫描。此工作在排除了一次侦测到高空飞行器信号的兴奋事件后宣告失败。

图2 弗兰克·德雷克(Frank Drake) 和奥兹玛计划

     大概在奥兹玛计划45年以后,位于美国加利福尼亚州芒廷维尤(Mountain View)的塞提研究所(SETI Institute)也结束了一项长达10年的计划:即著名的搜索外星人的凤凰计划。从事该计划的研究人员利用位于波多黎哥阿雷西博(Arecibo)350米口径的射电望远镜,在2800万个频道上同时对710个恒星系进行了搜寻,搜寻范围达1800 MHz,SETI研究所凤凰计划的效率比奥兹玛计划要高100万亿倍。除了搜寻能力极大地提高以外,这45年的外星智能搜索计划在搜寻策略上也发生了许多变化。在这项搜寻来自邻近外星文明的地外电波幅射计划(SERENDIP)中,观测天文学家们使用了包括阿雷西博(Arecibo)在内的背负式天线接收器,对银河系中数十亿个射电源进行了扫描。而其他的一些组也用适当规模的光学望远镜对来自外星球纳秒频率量级的闪光信号进行了搜寻。

图3 SETI 研究所

     然而搜寻工作依然一无所获。不过,SETI研究所的凤凰计划当时搜寻的目标是每一亿颗恒星中与地球邻近的那一、二颗类太阳系的恒星,仅仅依靠对这样少而又少的对象开展搜寻工作,无疑像是大海捞针。除非有足够多的能发出地外文明电波信号的信号源,搜寻者们面对这样一个浩瀚的宇宙去搜寻地外文明,真的是需要非常非常好的运气才能获得成功。

     为了从银河系那样庞大的“干草堆里找到这根针”,从事SETI计划的工作人员期盼着计算机的运算能力能成几何级数地提高,以便在以后的数十年内继续开展搜寻工作。在美国北加利福尼亚州,SETI研究所已经开始着手建造一个由多个独立的6米射电望远镜天线组成的阵列,可以同时将350台射电望远镜连接在一个功能强大的电脑终端上,最终形成一个功能强大的“虚拟望远镜阵列”(如图4所示),可以让科学家们能够同时搜寻更多目标。

图4 SETI研究所的“虚拟望远镜阵列”

如果计算机领域的摩尔定律在今后15年时间内还依然管用的话(Moore Law:每18个月计算机的计算能力提高一倍),SETI计划的搜寻者们就可以用这种天线阵列同时搜寻数百万个,甚至是数千万个恒星,而不仅仅是过去的数千个。假如银河系中有一万个地外文明存在的话,那么他们就有可能很快从中发现有价值的线索而获得成功,从而改变人类150年科学发展的现状。

     在以后的数十年间,可供地外文明探索的技术手段将会更多(例如AI技术),但对于SETI研究所而言,在这样一个容易让人产生嘲讽冲动的领域从事研究活动却是一件非常不容易的事情。搜寻外星人仅仅是一个纯科学的发现和探索,并不会带来直接的经济利润,所以对SETI来说他们更需要资金的支持。1993年美国国会预算会上就因一些议员对该研究的嘲讽而迫使美国航空航天局(NASA)放弃了SETI计划,正如他们中的一位说的那样,SETI计划就是在花费大量联邦政府的钱去寻找一些“长着畸形脑袋的绿色小人儿”(Ridiculous!即使发现了很远也很危险)。所以直到现在,搜寻生命进化树上的另外一根旁枝的研究依然不在NASA的计划之中,十多年来,资助SETI计划的费用大都是来自私人捐款。但SETI研究所依然雄心勃勃地提出了一个价值3500万美元的天线阵列计划SKA(一项搜寻外星文明的国际合作计划,SKA希望在澳大利亚、新西兰和非洲建造一个由众多射电望远镜组成的阵列,如果能建造起来这样的阵列,其接收数据的天线面积可望可达到1平方公里One square kilometre,如图5所示),在这个计划的框架下,SEIT的观测人员就可以将数千万颗恒星纳入到SEIT的跟踪范围,而那些主流的射电天文学家也就不得不跟随这一计划而随车前行。如果没有这样的雄心壮志和信念,我们人类搜寻同伴的愿望就会更加渺茫,在这个无边无际的宇宙中,我们人类真的就是一个永远品尝着心灵孤寂的物种吗?

图5 SKA计划的天线阵列的想象示意图

–RICHARD A. KERR



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