让你做短视频，你科普黑暗森林 - 第217章 给外星人发坐標（二）

    如果你感兴趣的话，wi-fi 和微波炉常用的 2.45 吉赫频率对应的波长是 12.2 厘米（即 5 英寸），而微波炉的內部尺寸通常是该波长的整数倍，这样能形成驻波模式，让食物受热更均匀。
    相比之下，我们收听的调频（fm）无线电频段的频率约为 “水洞” 区域的十分之一，波长则是其 10 倍 —— 波长大约与人类的身高相当；调幅（am）无线电的频率约为 “水洞” 的千分之一，波长则是其 1000 倍 —— 相当於一个足球场的大小。
    光学频率则走向了另一个极端：频率是 “水洞” 的数千倍，波长则缩小到分子尺度。而波长比原子还小的频段，试图用由原子构成的半导体来產生这类信號，显然是不现实的。
    这些信號在真空中的传输特性並无差异，但太空並非完全真空。太空中最常见的物质是氢。中性氢（由一个质子和一个绕其运行的电子组成）的电子能处於多个高於基態的能级，其中两个较低能级之间的能量差仅为 5.9 微电子伏特，对应的光子波长为 21 厘米（频率 1.42 吉赫）。
    这种能级跃迁很容易发生，因此在该能量、频率和波长下存在背景噪声。凡是有大量中性氢聚集的区域（银河系中几乎隨处可见，尤其是星际介质中以中性原子氢为主的区域 —— 包括温度在 50 至 100 开尔文（与冥王星相当）的冷中性介质（cnm），以及温度在 6000 至 10000 开尔文（与太阳表面相当）的暖中性介质（wnm）），都能检测到这种背景噪声。
    温度约 8000 开尔文的热电离介质（wim）占比甚至超过冷中性介质和暖中性介质的总和，但其发射的並非射电波，而是可见光波段的深红色氢 α 谱线 —— 因此这一频段也不適合用於信號传输。不过也有人认为，在几十到几百光年的短距离內，该频段能避开部分干扰，让信號更易识別。
    你可能经常听到关於 21 厘米谱线的討论，因为我们通常会优先考虑射电波，但用於定向波束和通信雷射的光波段，显然也需要考虑被星际介质吸收或作为背景噪声发射的问题。恆星本身会產生多种谱线，我们正是通过这些谱线计算恆星的光谱和红移；而观测恆星诞生的分子云时，也需考虑太空中各种分子的吸收谱线。
    在我看来，这些因素並非指明了我们该监听哪些频率，而只是指出了我们（以及外星文明）应该避开的频率。但 “水洞” 和 21 厘米谱线在相关討论中频繁出现，因此在进入信標主题之前，我觉得有必要先对此进行说明。
    接下来谈谈无线电信號的最大可探测距离。我们此前也曾討论过这一话题，有一种观点认为，人类自身的无线电信號最多只能传播到约 100 光年外，因此我们无法接收到更远距离的外星信號。
    这一观点有时会与信號在传播过程中因衰减、扩散，以及穿过嘈杂且不均匀的太空而產生的失真相混淆。我们通常认为日常信號会被压缩（即去除重复模式，並標註 “已去除重复模式”），这使得高带宽、高压缩的信號即便通过我们之前提到的巨型望远镜，也几乎无法被接收。
    但对於信標而言，这一点並不重要 —— 因为信標的首要目標是在遥远的距离上被理解，且通常无需进行高带宽、高压缩的详细通信。信標不会压缩数据，因为特意保留那些重复模式，才能让信號从噪声中凸显出来，更易被解码。
    毕竟，你完全可以在未压缩的基础信號之后附加一个压缩的次级信號，並在基础信號中说明压缩方式。例如，未压缩信號中可能包含提示：“请切换至另一频率，接收採用如下压缩方式的高数据量压缩信號”。不过这並非適用於所有银河或星系际信標 —— 比如银河定位系统类信標，可能会假定使用者已了解其传输规则和密钥。
    有人提出可以將中子星作为天然的定位系统，我们稍后会回到这一话题，但这也恰好能说明 “无线电信號传播距离有限” 的观点並不成立。我们能探测到数百万光年外的中子星，也能通过射电望远镜观测整个银河系乃至其他星系 —— 显然，射电波的传播距离並非受限於 “最大探测范围”。
    你也可以通过低密度的传输方式发送信號，比如以莫尔斯电码或二进位的形式，以不会受时空干扰、能在目標传输距离內被解码的低速闪烁信號源。若有需要，还能在恆星周围建造太阳镜，让恆星按选定的频率闪烁，以此传递 0 和 1 的信息。即便恆星每秒仅闪烁一次，每天也能传输 86400 比特的数据 —— 对於简单的信息而言，这已经足够。
    我们今天的主题是银河信標，而非星系际信標，但上述传输方式甚至能实现星系间的信號传输，且人类目前的技术已能探测到这类信號。显然，在银河系內传输信號所需的功率会低得多。
    此外，信號的传播距离与传输功率的平方根成正比。因此，能探测到十亿光年外超巨星闪烁信號的文明，也能探测到一百万光年外红矮星的闪烁信號，或是一千光年外由小行星建造的、直径与行星相当的信號装置的信號。
    所有这些方式，都不及定向发射器的技术复杂度 —— 定向发射器能像灯塔一样，围绕自身轴线旋转，向不同方向发射单一频率的辐射信號，从而极大地提升信號的传播距离。
    因此，毫无疑问，人类凭藉现有技术就能建造这类信標（儘管对我们而言难度极大）；由此我们也能推断，外星文明理应掌握相关技术，且会认为与我们技术水平相当的文明，也具备探测这类信標的能力。
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    现在我们来具体介绍信標的类型。第一种是教学类信標，这类信標的设计目的是帮助技术水平较低的文明发展。在 seti 计划早期，这类信標曾是重点搜寻目標 —— 直到人们发现並未找到此类信號。
    当时的思路是：如果外星文明有能力抵达地球，却显然选择不这么做，那么他们的意图不可能是恶意的，也不会是过度干预型的。他们要么是无法殖民整个宇宙，要么是有能力却选择不干涉人类，既没有早早將我们消灭，也没有將我们纳入他们的 “保护” 之下。
    这一点对 seti 计划至关重要，因为常有反对者以 “回应 seti 信號可能引来敌对外星文明” 为由抨击该计划 —— 这与 “黑暗森林理论” 及相关观点一致，该理论认为银河系很可能是一个黑暗、充满敌意的地方，文明应保持沉默，而非向 “捕食者” 宣告自身存在。
    我们此前也曾製作过视频分析黑暗森林理论为何站不住脚，其中一个核心论据是：任何能派遣舰队抵达地球的外星文明，必然也能派遣殖民舰队，甚至只需发射低成本探测器，就能观测到这颗绿意盎然的星球，以及过去几千年里出现的直线型运河和道路。他们无需等待我们发出信標 —— 早已知道这里有一颗存在生命的行星。这也是为何针对地球的信標可能会採用定向波束（以节省功率）。
    如果他们通过波束以 365 像素的解析度绘製出太阳系中的地球图像，结合地球 365 天的公转周期，我们很容易就能意识到这一信號是专门针对我们的。因此，我们无需花费时间纠结是否该回復，也不必担心回復会暴露自身存在。
    这类信標可能会向我们传输海量的科学和哲学知识。我们接下来要討论的其他类型的信標，本质上也属於特殊的教学类信標，但这正是 seti 计划早期研究者们期望找到的信號类型 —— 直到一次次的搜寻落空。
    尤其是在人类登月之前、核武器储备开始增加的那段时期，有一大批研究者认为，费米悖论的答案很简单：星际旅行和殖民是不切实际的；且更具侵略性或 “邪恶” 的文明往往会自我毁灭，因此最终留存下来的要么是天性仁慈的文明，要么是在核战爭等残酷经歷中学会变得仁慈的文明。
    这一观点在那一时期的科幻作品中隨处可见，也对 seti 研究社群產生了深远影响 —— 人们设想银河系中遍布和平的外星文明，他们尊重生命、希望生命得以延续，因此会建造巨型信標，传输知识，帮助其他文明生存並变得成熟。
    其他例子还包括：外星文明可能通过信標发送建造超波发生器的指令，让原始文明能够接收超光速传输的信號，接入 “银河网际网路”。你当然可以坐等其他文明自行研发出这项技术，但考虑到你的目標是阻止他们核平自身、破坏行星环境，或是释放危险的人工智慧，等到人类研发出目前毫无头绪的技术时再干预，时机显然太晚了。