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旅行者號上的唱片說明書,外星人看得懂嗎?


國家空間科學中心「宇宙,最後的邊疆。這是星艦進取號的航程。它繼續的任務,是去探索未知的新世界,找尋新的生命和新的文明,勇敢地航向前人所未至的領域。」這段出自電影《星際迷航》台詞,用...

- 2018年12月27日13時26分
- 科學文摘 / 國家空間科學中心

國家空間科學中心

「宇宙,最後的邊疆。這是星艦進取號的航程。它繼續的任務,是去探索未知的新世界,找尋新的生命和新的文明,勇敢地航向前人所未至的領域。」

這段出自電影《星際迷航》台詞,用在旅行者兩兄弟身上非常恰當。對於旅行者1號和2號來說,離開太陽系,只是他們通往無垠宇宙的旅程的開始。

大部分人都不喜歡孤獨。而作為一個整體,人類也是討厭孤獨的。人類到底是不是宇宙中唯一的智慧生物?如果是,那麼到底是什麼決定了我們如此特殊?如果不是,那麼其他的文明又在哪裡?


為了尋找同類,人們在旅行者上放置了一個時間囊。裡面有用許多種語言錄製的的問候(包含普通話、粵語、吳語和閩南語在內)、各種音樂作品和地球上的自然界的聲音(還有人類的腦電波),以及地球上的自然和社會景象照片。這些信息被寫在一張帶探針的金唱片上。那麼問題來了,假設有一天這張唱片被外星人捕獲,那麼他們怎麼才能正確播放這張唱片,而不是當成亂碼呢?

為了解決這個問題,人們精心設計了一份隨盤附贈的使用說明書。不過,這份說明書到底說了些什麼?我們看不懂沒關係,要是外星人也看不懂咋辦?……今天,就為大家解讀一下這份說明書上到底說了啥。

旅行者號的唱片說明書。(圖片來源:https://en.wikipedia.org/wiki/Voyager_Golden_Record)

任何兩個文明的第一次接觸,都會遇到差不多的問題——如果兩個人完全不懂對方的語言,那麼如何交流信息呢?這個問題的答案說白了就是「一個比劃一個猜」。

我們假設來自中國的王大爺和來自英國的約翰第一次見面。此時,王大爺拿著一個蘋果,說:「蘋果」,於是約翰在紙上記下「apple=ping goh」,然後他指著蘋果說「apple」,王大爺就在自己的紙上寫「蘋果=艾跑」。約翰切開蘋果,同時說「cut」,那麼王大爺就會記下「切=卡特」,然後他切蘋果,說「切」,此時約翰就會寫下「cut=chea」。


那麼這樣來回幾次,雙方就會向彼此傳遞很多詞彙了。由於語言必須描述信息,所以通過對共同信息的描述,可以讓語言不通的兩個文明進行交流。

那麼,人類和外星人之間,有什麼共同信息可以作為交流的基礎呢?

我們無法想像外星世界和我們到底有多少相似程度。人類要吃糖、脂肪、蛋白質,外星人可能只吃土;人類需要氧氣和水才能存活,但是外星人可能呼吸的是氟氣,並且用氫氟酸洗澡;人類看得到七彩斑斕,外星人說不定能看到微波爐里的微波和胸透時的X射線。因此,找到可以交流的共同點其實不容易。

既然同處一個宇宙,那麼不如就從宇宙中最普遍的物質上找點共同話題吧。在宇宙中,最多的物質就是氫原子了。氫是一種最簡單的元素,絕大部分的氫原子是由一個質子和一個電子組成的。如果一個文明能捕獲旅行者,至少說明他們有發達的天文學和航空器。他們對氫原子的理解也應該相當深入。所以,科學家決定把氫原子當作王大爺手裡的「蘋果」。

這就是圖片右下角部分所描述的信息。

說明書右下角局部:1s氫原子自旋躍遷示意圖。(圖片來源同上圖)

圖中,中間的火柴棍表示的氫原子中的質子,而它上方的火柴棍則表示氫原子中的電子。我們可以把這兩者之間的關係具象地理解成地球(電子)圍繞太陽(質子)旋轉,這樣想是可以的,但是要注意這種想法僅僅是為了方便思考而進行的簡化,並非實際的情況。

地球和太陽分別有各自的自轉,而在氫原子中,電子和質子也有一個類似的性質,術語叫做自旋(還是要注意,它們並非真的在轉,這只是一種為了方便思考所做的的簡化)。既然是旋轉,那麼就會有兩種可能的方向:順時針和逆時針。那麼對於氫原子的電子和質子來說,它們的自旋方向會有兩種可能:一種是它們同向自旋,還有就是它們反向。科學家發現,這兩種可能性之間有能量上的差異:同向時的能量要比反向時的能量稍微高出一丁點。所以,如果氫原子裡的質子和電子的自旋方向從同向變成反向,那麼這一丁點的能量就會被釋放出來。根據愛因斯坦的理論,這部分能量會以一份電磁波的形式被釋放,並且我們能算出這份波的周期大概是一百億分之七秒(0.000000007秒)。

說明書右下角的這幅圖,描繪的就是這個自旋方向反轉的過程(上方火柴棍從頭朝上變成了頭朝下)。也就是說,說明書的其他部分,是基於這些基本信息的。如果外星文明想要讀明白這份說明書,那麼他們必須知道氫原子的這個性質,並且已經算出這個周期。否則這份說明書也就不可能看懂了。當然,能捕獲旅行者號的文明,基本也不可能不知道這些。為了行文方便,我們接下來把一百億分之七秒稱為「圖例時長」。

唱片如何旋轉?

左上角局部,是一個唱片的俯視圖。右側的圖案是旅行者上攜帶的帶唱針的針匣。(圖片來源同上)

有了基礎的信息,下面我們可以來解讀說明書的剩餘部分了。左上角是一個唱片的俯視圖,並且描繪了一個帶唱針的針匣,意思是說讓拿到這個唱片的人從外向里播放。

裝好之後還要維持一個恰當的轉速才可以,轉速就是這個圖形周圍那一圈橫豎線段所含有的信息。豎著的線段表示二進位1,平行於圓邊的線段表示二進位0。從針匣上方開始數起,這一串線段就表示了二進位的100110000110010000000000000000000,也就是十進位的5113380864。這個數字乘以上文我們說到的「圖例時長」,就得到3.6秒。表明這個唱片的播放轉速應該是每周3.6秒。為什麼用二進位描述呢?因為二進位很容易描述,只要有倆符號表示有和沒有就可以。我們因為是十根手指所以選擇了十進位,但我們不知道外星人究竟幾根手指頭,萬一他們是三根、七根或者兩百根怎麼辦?所以還是二進位穩妥些。

左中部分是一個唱片播放的正視圖。(圖片來源同上)

接下來是唱片的正視圖,下面仍然用二進位寫了一串數字。這個數字描述的是這張唱片的播放時長。有沒有哪位讀者閒來無事算一下這張唱片能播多久呢?

畫面如何播放?

如果說上面的音頻播放部分已經讓外星人困惑,那麼關於圖片播放的教程就更加費解了。但是只要稍微了解一下圖片是如何編碼到唱片上的,就可以更好地理解圖上的含義了。

在旅行者號的唱片中,圖片被分解為一個個的像素,每個像素4個比特(也就是說,可以呈現2⁴也就是16種不同的灰度),解析度為512*512,也就是說分解成了512列,每一列有512個像素點。把圖片沿列剪開,剪成512個小長條,然後把這些長條按順序首尾相接,拼成一個很長的大長條,人們就是通過把這個長條寫入光碟的方式來記錄一副圖像。

右上角描述了圖像的編碼方式和讀取方法。(圖片來源:同上)


在視頻部分,說明書中首先對圖像的編碼方式進行了介紹,描述了大長條和小長條結構。可以看出,一個信號有很多個不規則的部分串在一起,每個不規則的部分就是一個小長條。在圖中,科學家列舉了其中的前三個小長條,分別標註為二進位的1,10和11,也就是十進位的1,2和3。在第一個小長條下面的二進位數字,描述了讀取這一個小長條所需要的時間,大約是8毫秒。下面的折線描述了讀取的方法,圈圈代表唱針,意思是:讀取並輸出第一個小長條——換行——讀取並輸出第二個小長條——換行——讀取並輸出第三個小長條……

圖像的輸出形式(圖片來源:同上)

接下來,還有一幅描述了上述「輸出——換行」工作方法的示意圖。可以看出,有很多個小長條,把這些小長條一條一條地從左到右拼好,就成了一整副圖像。這和老式電視機的成像原理類似,只不過老式電視機是一行一行地拼,而這裡是一列一列地拼。左邊的二進位數字10000代表了每一小長條有16種不同的灰度。右邊的二進位數字1000000000表示每幅圖案有512個小長條。這個兩數字的朝向是不同的,是想要強調1000000000表示列數。

驗證圖(圖片來源同上)

解釋到現在,不知道各位讀者是不是明白了,這個說明書確實晦澀難懂。人們也知道自己這事辦得不地道,因此畫了一個用來驗證的圖案。也就是說,如果外星DJ打碟的方式正確,那麼他能看到的第一張圖片就是這樣一個圓圈(潛台詞就是我也不管你怎麼折騰,反正看見這個圈圈就算你贏了)。

唱片出品地址:太陽系

在唱片左下角,還可以看到像是爆炸一樣的圖案。這個圖案記載的是這張唱片的來源,也就是太陽系的具體位置。每一條線的末端,都是一顆脈衝星。脈衝星究竟是什麼暫且不提,現在我們只需要知道,它們都是一些自轉非常迅速而且自轉周期很穩定的星體。而太陽就在這幅圖的中央處。

利用脈衝星定位太陽位置的示意圖(圖片來源同上)

這些脈衝星相當於是地標,只要外星文明能夠找到其中三個,就能夠準確定義太陽的位置。那麼這些脈衝星是如何區分的呢?我們可以看到,每個脈衝星後面標註了一個用二進位寫成的數字,這個數字乘以「圖例時長」,就可以得到這個脈衝星的自轉周期了。外星文明就可以通過這個方法來判斷自己找到的脈衝星是否是圖中的某顆。另外,旅行者號上還裝有一瓶超高純度的濃縮鈾,外星人通過分析鈾的裂變,可以得知這艘飛船在宇宙中飛行了多久。有了這個時間,外星人就可以對脈衝星的周期進行矯正,從而避免脈衝星周期隨時間變化而造成誤判。

結語

理論上來說,可預見的未來里,旅行者號被外星生命捕獲的機率基本為零,畢竟它們飛到離太陽最近的恆星也要四萬年。即便真的被捕獲,也不意味著人類的末日。黑暗森林畢竟只是小說中的設定,「不知道其他文明的意圖」,也並不能有邏輯地推出「我必須首先將其毀滅」這個結論。況且,毀滅對方勢必也要暴露自己,萬一對方比自己強大,把自己反殺怎麼辦?當然,旅行者攜帶著人類信息去面對未知的外星人,充滿了無限的可能性,究竟會發生什麼,我們也只能猜測。

旅行者號更像是一種人類記載自己的時間囊,人們通過這個儀式,希望自己能被其他的智慧生命所認識,從而緩解自身的孤獨感,如同我們在曠野上行走,大聲呼喊,希望自己能被聽見,從而找到同行者一樣。試想數十億年之後,連太陽都熄火了,地球更是早已不存在了,但是在浩瀚宇宙里仍然有一顆記載著人類存在過證據的金心,人類或許短暫,而它卻將永恆。


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