搜寻先进地外文明科技的痕迹

□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻译 程思淼

搜寻先进地外文明科技的痕迹

□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻译 程思淼

柯文采

（Thijs Kouwenhoven）

北京大学科维理天文与天体物理研究所（KIAA）百人计划学者。

地球上的科技：过去与未来

“也许外星人从未造访过我们——因为他们看了看地球，觉得上面没有智慧生命的痕迹。”

——尼尔•德葛拉司•泰森（Neil deGrasse Tyson）

20世纪，人类在发展新技术方面取得了巨大的进步。其中很多技术彻底改变了我们的生活。很难想象，如果离开了汽车、飞机、化石燃料，我们的生活将会变成什么样。就个人来说，我现在已经很难想象，自己的青年生活竟然是在没有手机和互联网的时代度过的。那时候还没有这些东西。上小学的时候，我曾梦想着视频电话和便携电视播放器在2000年成为现实。如今，它们确实在我们的手机上实现了。

在我的祖父母还年轻的时候，他们在农场过着简单的生活，在那里长大。他们不可能想到，2015年世界会变成什么样。当然，我们现在还没有飞行汽车，但生活的每一方面几乎都发生了巨大的变化。再往前追溯，我的曾祖父母大概不会想到，今天我们能坐着飞机在天空中翱翔，或者通过聊天软件跟世界另一头的朋友实时聊天。或许他们也做过飞天的梦，但是我敢肯定，他们绝不会认为一架400吨重的庞然大物（空中客车A380客机）能在24小时之内飞到世界的另一端去。直觉告诉他们，在这个世界上，那是不可能的。

现在，让我们换个方向来考虑一下未来的事。世界一百年以后的样子也是难以想象的。那时候我们都会拥有飞行汽车吗？我们会在我们的大脑里植入记忆芯片吗？或者我们能在春节的时候去月亮上玩一趟？谁知道呢，不过，一百年后的世界肯定和现在大不一样。更别说一千年、一万年了。那么回到天文学上来：如果一个外星文明在技术上领先我们一千、一万、甚至一亿年，他们看上去会是什么样子呢？这真是难以想象的事。

空中客车A380客机，图片来源网络。

图片来源：https://www.artstation.com/artwork/dyson-sphere（levy wang）

外星科技？你说真的？

“任何足够先进的技术都无异于魔法。”

——阿瑟•C•克拉克

科学上最重要的问题之一就是：我们在宇宙中是否是孤独的？或许人类是宇宙中唯一的智慧生命形式。又或许在我们的银河系中还有很多其他的文明。无论答案如何，对这个问题的确切回答都将成为迄今最重要的科学发现。不过，到现在为止，科学上的证据还不足以支撑两个答案当中的任何一个。因此，我们不妨先看看天体物理学在这方面有什么可做。

要搜寻宇宙中生命的痕迹，一条路是去“监听”来自太空的信号。比如，经典的SETI（地外智慧生命搜索）项目就在做这样的事，本栏目上期何锐思教授的文章对此有详尽的介绍。另一条路是去寻找外星科技的痕迹。地外文明可能已经发展出了远超过人类水平的科技，而它们会在太空中留下能够直接或间接观测到的痕迹：从位于银河系另一端的巨大的宇宙飞船，到也许正在探索我们太阳系的微小的纳米探针。我们并不知道要找的是什么，甚至有可能实际上什么也没有。但如果我们不去寻找，那就肯定什么也找不到。通过下面两个例子，让我们看看科学家们对这个问题是怎么说的。

甚大天线阵（VLA），图片来源：CGP Grey。

光帆：节能的太空旅行

光帆是太空中巨大的“帆”，用来收集尽可能多的太阳光。它们可以用于行星际的交通，也可作为巨大的太阳能板吸收或者反射太阳辐射的能量。世界上首个大型太阳帆有望在几十年内研制成功。地外文明的科技发展也许远远领先我们，他们可能已经有了巨型的太阳帆。这些太阳帆在遥远的距离上也有被探测到的可能。[图片版权：Josh Spradling/The Planetary Society]

目前所有在太阳系中穿行的太空探测器，都是以火箭发动机为动力的。火箭的确很胜任这个任务，不过它有一个大问题：推动飞船需要燃料，而推动这些推动飞船的燃料，就需要更多的燃料，而要推动这些更多的燃料，又需要更多、更多的燃料。穿越太阳系的旅程所需的燃料总数，可以通过“火箭公式”准确地算出。得到的结果是，一艘小小的飞船需要的燃料远远超过了它自身的重量。为什么中国的月球探测器需要那么庞大的火箭？这就是原因所在：火箭里面都是燃料。对于更为遥远的太空旅行，使用火箭燃料希望实在渺茫。我们必须另找办法。

在地上展开的光帆，图片来源：http://mashable.com/2015/05/19/lightsail-bill-nyelaunch/#wOwPZjZOuqk5（Justin Foley）。

使用“光帆”是最著名的办法之一。“光帆”是面积巨大而厚度极小的“帆”，它可以在太阳光压的推动下向远离太阳的方向运动。这为在太阳系周围旅行提供了一条节能之路，我们不需要携带大量的燃料。不过在操作上还有一些问题：光帆只能在一个方向（远离太阳）上运动，而且太阳产生的光压实在太过微弱，光帆的速度会很慢。这个困难可以通过人造强辐射光源（比如，从地球射出一束强激光）来克服，以使飞船能够飞到更远的地方。

光帆的另一个——也许是更实用的用途，是通过收集或反射太阳光为地球提供能源。在这个意义上，光帆可以看作太空中的巨大太阳能板。虽然人类使用光帆可能还需要等上一百年，但是地外文明也许早就开始使用它们了。

今年早些时候，哈佛大学的两位天文学家，詹姆斯•圭洛孔（James Guillochon）和亚伯拉罕•洛布（Abraham Loeb）探讨了探测地外文明建造光帆的可能性，并在学术期刊《天体物理学杂志通讯》（Astrophysical Journal Letters）上发表了他们的结果（原文见http:// lanl.arxiv.org/abs/1508.03043）。他们的推理如下：如果外星人用光束照射光帆，那么也许会有一些光泄漏出来，我们在地球上就有可能探测到它们。

他们在论文中讨论了这样一个例子：如果一张光帆用于两颗行星之间的交通，它们都绕着100秒差距（326光年）远处的一颗恒星公转，那么我们从地球上能够看到什么？外星人打出的光束应该是很窄的，刚好能够照在光帆上，因此不会有泄漏。最有可能观测到光束泄漏的是飞船进行特殊操作，比如起飞和降落的时候。作者认为，外星文明最有可能使用微波或射电波束为光帆提供动力，因为这是可以使用的电磁波中效率和性价比最高的。在做出了所有这些假设之后，作者预计，在光帆发射或降落的时候，地球上的天文学家将能在微波或射电波段看到几秒钟的光束泄漏。

事实上，如果同意作者的假设，探测地外文明的光帆确实是可能的。不过，始终要记得的是，这些假设中有很多都是高度猜测性的。而且还必须记住的一点是，即使我们发现了预言中的“光帆”，它也很有可能不过是一个来自自然的信号而已。

高度先进的文明和他们的超级工程

我们还可以去搜寻的是银河系中的“超级工程”。如果有这样的超大型工程，那么它们多半是用来收集能源的。这是因为随着一个文明的发展，它消耗的能源会呈指数增长。我们这个世界的能源消耗每30年就会翻一番。也就是说，1985年我们使用的能源只有现在的一半，而2045年的时候将是现在的两倍。总有一天，地球上的能源会不够用。而在一个行星系统中，最好的能量来源无疑是它的中心恒星，因此可以设想，先进的文明将会建造大型的工程来收集恒星辐射出的能量。

在这些假想的巨型工程当中，最著名的是“戴森球”。这是一个由太阳能板拼成的巨大球壳，严密地包围着一颗恒星，以吸收它辐射出的全部能量。我们或许也会建造一个包围太阳的戴森球，但我们还没有准备好，所以也许得等到几千年之后了。在太阳系里建造如此庞大的结构，要用到的物质相当于水星和金星的总和。在遥远的系外行星上，生命的出现也许比地球上要早几百万年，那里的先进文明可能已经建造了戴森球。果真如此，那么如果我们足够仔细，就有可能在地球上观测到它们。过去的20年里人们进行了多次针对戴森球的搜索，不过并没有得到肯定的结果。

瑞典天文学家埃里克•扎克里森（Erik Zackrisson）和他的同事最近试图确定这种超级工程存在的可能性（原文见http://lanl.arxiv.org/ abs/1508.02406）。他们的方法是对大量偏离“特利-费舍关系”（Tully-Fisher relation）的遥远星系进行红外观测。特利-费舍关系描述的是星系的亮度与其中恒星运动速率的关系。研究者选择那些过于暗淡的星系，并且检查其变暗是否可能是大量戴森球所造成的。换句话说，他们在考察这些遥远的星系中是否存在着卡尔达雪夫III型文明。

能量守恒告诉我们，一颗位于戴森球中的恒星产生的能量，总要以某种方式释放出去。戴森球实际上吸收了全部的可见光和紫外线，而向外释放的则主要是红外线。因此扎克里森和同事们注意观察，这些比“特利-费舍关系”的预言更暗的星系在红外波段是否有多余的辐射。确实有极少数的星系表现出这一特征。作者得出的结论是，在我们附近的宇宙中，有不到0.3%的星系可能成为拥有卡尔达雪夫III型文明的候选者。不过，作者同时指出，对这些候选星系的奇怪特征也许有更为直接的解释。

“戴森球”原理图。戴森球是非常巨大的太阳能板结构，可用来收集恒星高达100%的光能。要建造一个包围我们太阳的戴森球，我们需要水星和金星加起来那么多的物质。戴森球挡住了一个恒星的几乎全部可见光和红外辐射，但它自己也会辐射红外线，因此我们仍然可以探测到。迄今在宇宙中还没有发现过戴森球，我们尚不知道宇宙中是否真的存在这样的东西。[图片版权：Wikipedia]

艺术家想象中的戴森球，图片来源：http://www.sentientdevelopments.com/2012/03/how-to-build-dyson-sphere-in-five.html。

艺术家想象的一个正在建造中的戴森球。[图片来源：http://earthsky. org/space/what-is-a-dyson-sphere，作者：Adam Burn]

超链接：

1964年，苏联天文学家尼科莱•卡尔达雪夫（Nikolai Kardashev）提出了一种衡量一个文明的科技先进程度的方法。他给出了三个等级：

卡尔达雪夫I型：

这类文明使用其母行星上可以获得的全部能源，包括太阳能、核能、风能、化石燃料等等。就地球来说，这相当于大约1016瓦特的能耗。而人类文明目前消耗能量的速率大约是1013瓦特，我们要进入卡尔达雪夫I阶段，估计还有几百年的时间。

卡尔达雪夫II型：

这类文明使用其母恒星所能提供的全部能源。这一能源大约相当于1026瓦特。理论上说，可以通过包围恒星的巨大太阳帆，把一颗恒星的整个能量输出都收集起来。这样的工程称为“戴森球”，因著名天文学家弗里曼•戴森（Freeman Dyson）而得名。他在20世纪60年代推广了这一概念。我们也许需要几千年的时间才能进入这种II型文明。卡尔达雪夫III型：

这类文明使用其所在星系所能提供的全部能量。这意味着这种文明已能在数十亿颗恒星的周围建造戴森球，或许他们还能从星系中心的超大质量黑洞那里获取能量。这样一个文明的能耗将在1044瓦特左右。我们还不知道是否有文明能够达到这样的阶段。

科学还是科幻？

一些天体物理学家批评这种搜寻地外文明科技痕迹的做法。他们认为这完全是在浪费资金，而且，望远镜的工作时间也应该用到更有用的天文项目中去。这种批评有一定的道理：我们在这种项目上不应该投入过多。但另一方面，我认为，我们也不应忘记，我们最初是为什么做天文学的：我们是为了回答科学的大问题。在这个意义上说，探索我们在宇宙中是否是孤独的，远比发现星系是如何形成的要重要。不过话说回来，研究星系形成确实提高了我们对于宇宙的理解，并且给出了带有可检验预言的理论。而搜寻地外信号和科技的成果，到目前还只是一个零，没有任何有说服力的证据。因此，我的意见是，对地外文明的可能证据保持注意是有意义的，但不要投入过多的精力和望远镜时间。