第217章 給外星人發坐標（二）
如果你感興趣的話，Wi-Fi 和微波爐常用的 2.45 吉赫頻率對應的波長是 12.2 厘米（即 5 英寸），而微波爐的內部尺寸通常是該波長的整數倍，這樣能形成駐波模式，讓食物受熱更均勻。
相比之下，我們收聽的調頻（FM）無線電頻段的頻率約為 「水洞」 區域的十分之一，波長則是其 10 倍 —— 波長大約與人類的身高相當；調幅（AM）無線電的頻率約為 「水洞」 的千分之一，波長則是其 1000 倍 —— 相當於一個足球場的大小。
光學頻率則走向了另一個極端：頻率是 「水洞」 的數千倍，波長則縮小到分子尺度。而波長比原子還小的頻段，試圖用由原子構成的半導體來產生這類信號，顯然是不現實的。
這些信號在真空中的傳輸特性並無差異，但太空並非完全真空。太空中最常見的物質是氫。中性氫（由一個質子和一個繞其運行的電子組成）的電子能處於多個高於基態的能級，其中兩個較低能級之間的能量差僅為 5.9 微電子伏特，對應的光子波長為 21 厘米（頻率 1.42 吉赫）。
這種能級躍遷很容易發生，因此在該能量、頻率和波長下存在背景噪聲。凡是有大量中性氫聚集的區域（銀河系中幾乎隨處可見，尤其是星際介質中以中性原子氫為主的區域 —— 包括溫度在 50 至 100 開爾文（與冥王星相當）的冷中性介質（CNM），以及溫度在 6000 至 10000 開爾文（與太陽表面相當）的暖中性介質（WNM）），都能檢測到這種背景噪聲。
溫度約 8000 開爾文的熱電離介質（WIM）占比甚至超過冷中性介質和暖中性介質的總和，但其發射的並非射電波，而是可見光波段的深紅色氫 α 譜線 —— 因此這一頻段也不適合用於信號傳輸。不過也有人認為，在幾十到幾百光年的短距離內，該頻段能避開部分干擾，讓信號更易識別。
你可能經常聽到關於 21 厘米譜線的討論，因為我們通常會優先考慮射電波，但用於定向波束和通信雷射的光波段，顯然也需要考慮被星際介質吸收或作為背景噪聲發射的問題。恆星本身會產生多種譜線，我們正是通過這些譜線計算恆星的光譜和紅移；而觀測恆星誕生的分子雲時，也需考慮太空中各種分子的吸收譜線。
在我看來，這些因素並非指明了我們該監聽哪些頻率，而只是指出了我們（以及外星文明）應該避開的頻率。但 「水洞」 和 21 厘米譜線在相關討論中頻繁出現，因此在進入信標主題之前，我覺得有必要先對此進行說明。
接下來談談無線電信號的最大可探測距離。我們此前也曾討論過這一話題，有一種觀點認為，人類自身的無線電信號最多只能傳播到約 100 光年外，因此我們無法接收到更遠距離的外星信號。
這一觀點有時會與信號在傳播過程中因衰減、擴散，以及穿過嘈雜且不均勻的太空而產生的失真相混淆。我們通常認為日常信號會被壓縮（即去除重複模式，並標註 「已去除重複模式」），這使得高帶寬、高壓縮的信號即便通過我們之前提到的巨型望遠鏡，也幾乎無法被接收。
但對於信標而言，這一點並不重要 —— 因為信標的首要目標是在遙遠的距離上被理解，且通常無需進行高帶寬、高壓縮的詳細通信。信標不會壓縮數據，因為特意保留那些重複模式，才能讓信號從噪聲中凸顯出來，更易被解碼。
畢竟，你完全可以在未壓縮的基礎信號之後附加一個壓縮的次級信號，並在基礎信號中說明壓縮方式。例如，未壓縮信號中可能包含提示：「請切換至另一頻率，接收採用如下壓縮方式的高數據量壓縮信號」。不過這並非適用於所有銀河或星系際信標 —— 比如銀河定位系統類信標，可能會假定使用者已了解其傳輸規則和密鑰。
有人提出可以將中子星作為天然的定位系統，我們稍後會回到這一話題，但這也恰好能說明 「無線電信號傳播距離有限」 的觀點並不成立。我們能探測到數百萬光年外的中子星，也能通過射電望遠鏡觀測整個銀河系乃至其他星系 —— 顯然，射電波的傳播距離並非受限於 「最大探測範圍」。
你也可以通過低密度的傳輸方式發送信號，比如以莫爾斯電碼或二進位的形式，以不會受時空干擾、能在目標傳輸距離內被解碼的低速閃爍信號源。若有需要，還能在恆星周圍建造太陽鏡，讓恆星按選定的頻率閃爍，以此傳遞 0 和 1 的信息。即便恆星每秒僅閃爍一次，每天也能傳輸 86400 比特的數據 —— 對於簡單的信息而言，這已經足夠。
我們今天的主題是銀河信標，而非星系際信標，但上述傳輸方式甚至能實現星系間的信號傳輸，且人類目前的技術已能探測到這類信號。顯然，在銀河系內傳輸信號所需的功率會低得多。
此外，信號的傳播距離與傳輸功率的平方根成正比。因此，能探測到十億光年外超巨星閃爍信號的文明，也能探測到一百萬光年外紅矮星的閃爍信號，或是一千光年外由小行星建造的、直徑與行星相當的信號裝置的信號。
所有這些方式，都不及定向發射器的技術複雜度 —— 定向發射器能像燈塔一樣，圍繞自身軸線旋轉，向不同方向發射單一頻率的輻射信號，從而極大地提升信號的傳播距離。
因此，毫無疑問，人類憑藉現有技術就能建造這類信標（儘管對我們而言難度極大）；由此我們也能推斷，外星文明理應掌握相關技術，且會認為與我們技術水平相當的文明，也具備探測這類信標的能力。
現在我們來具體介紹信標的類型。第一種是教學類信標，這類信標的設計目的是幫助技術水平較低的文明發展。在 SETI 計劃早期，這類信標曾是重點搜尋目標 —— 直到人們發現並未找到此類信號。
當時的思路是：如果外星文明有能力抵達地球，卻顯然選擇不這麼做，那麼他們的意圖不可能是惡意的，也不會是過度干預型的。他們要麼是無法殖民整個宇宙，要麼是有能力卻選擇不干涉人類，既沒有早早將我們消滅，也沒有將我們納入他們的 「保護」 之下。
這一點對 SETI 計劃至關重要，因為常有反對者以 「回應 SETI 信號可能引來敵對外星文明」 為由抨擊該計劃 —— 這與 「黑暗森林理論」 及相關觀點一致，該理論認為銀河系很可能是一個黑暗、充滿敵意的地方，文明應保持沉默，而非向 「捕食者」 宣告自身存在。
我們此前也曾製作過視頻分析黑暗森林理論為何站不住腳，其中一個核心論據是：任何能派遣艦隊抵達地球的外星文明，必然也能派遣殖民艦隊，甚至只需發射低成本探測器，就能觀測到這顆綠意盎然的星球，以及過去幾千年裡出現的直線型運河和道路。他們無需等待我們發出信標 —— 早已知道這裡有一顆存在生命的行星。這也是為何針對地球的信標可能會採用定向波束（以節省功率）。
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如果他們通過波束以 365 像素的解析度繪製出太陽系中的地球圖像，結合地球 365 天的公轉周期，我們很容易就能意識到這一信號是專門針對我們的。因此，我們無需花費時間糾結是否該回復，也不必擔心回復會暴露自身存在。
這類信標可能會向我們傳輸海量的科學和哲學知識。我們接下來要討論的其他類型的信標，本質上也屬於特殊的教學類信標，但這正是 SETI 計劃早期研究者們期望找到的信號類型 —— 直到一次次的搜尋落空。
尤其是在人類登月之前、核武器儲備開始增加的那段時期，有一大批研究者認為，費米悖論的答案很簡單：星際旅行和殖民是不切實際的；且更具侵略性或 「邪惡」 的文明往往會自我毀滅，因此最終留存下來的要麼是天性仁慈的文明，要麼是在核戰爭等殘酷經歷中學會變得仁慈的文明。
這一觀點在那一時期的科幻作品中隨處可見，也對 SETI 研究社群產生了深遠影響 —— 人們設想銀河系中遍布和平的外星文明，他們尊重生命、希望生命得以延續，因此會建造巨型信標，傳輸知識，幫助其他文明生存並變得成熟。
其他例子還包括：外星文明可能通過信標發送建造超波發生器的指令，讓原始文明能夠接收超光速傳輸的信號，接入 「銀河網際網路」。你當然可以坐等其他文明自行研發出這項技術，但考慮到你的目標是阻止他們核平自身、破壞行星環境，或是釋放危險的人工智慧，等到人類研發出目前毫無頭緒的技術時再干預，時機顯然太晚了。
相比之下，我們收聽的調頻（FM）無線電頻段的頻率約為 「水洞」 區域的十分之一，波長則是其 10 倍 —— 波長大約與人類的身高相當；調幅（AM）無線電的頻率約為 「水洞」 的千分之一，波長則是其 1000 倍 —— 相當於一個足球場的大小。
光學頻率則走向了另一個極端：頻率是 「水洞」 的數千倍，波長則縮小到分子尺度。而波長比原子還小的頻段，試圖用由原子構成的半導體來產生這類信號，顯然是不現實的。
這些信號在真空中的傳輸特性並無差異，但太空並非完全真空。太空中最常見的物質是氫。中性氫（由一個質子和一個繞其運行的電子組成）的電子能處於多個高於基態的能級，其中兩個較低能級之間的能量差僅為 5.9 微電子伏特，對應的光子波長為 21 厘米（頻率 1.42 吉赫）。
這種能級躍遷很容易發生，因此在該能量、頻率和波長下存在背景噪聲。凡是有大量中性氫聚集的區域（銀河系中幾乎隨處可見，尤其是星際介質中以中性原子氫為主的區域 —— 包括溫度在 50 至 100 開爾文（與冥王星相當）的冷中性介質（CNM），以及溫度在 6000 至 10000 開爾文（與太陽表面相當）的暖中性介質（WNM）），都能檢測到這種背景噪聲。
溫度約 8000 開爾文的熱電離介質（WIM）占比甚至超過冷中性介質和暖中性介質的總和，但其發射的並非射電波，而是可見光波段的深紅色氫 α 譜線 —— 因此這一頻段也不適合用於信號傳輸。不過也有人認為，在幾十到幾百光年的短距離內，該頻段能避開部分干擾，讓信號更易識別。
你可能經常聽到關於 21 厘米譜線的討論，因為我們通常會優先考慮射電波，但用於定向波束和通信雷射的光波段，顯然也需要考慮被星際介質吸收或作為背景噪聲發射的問題。恆星本身會產生多種譜線，我們正是通過這些譜線計算恆星的光譜和紅移；而觀測恆星誕生的分子雲時，也需考慮太空中各種分子的吸收譜線。
在我看來，這些因素並非指明了我們該監聽哪些頻率，而只是指出了我們（以及外星文明）應該避開的頻率。但 「水洞」 和 21 厘米譜線在相關討論中頻繁出現，因此在進入信標主題之前，我覺得有必要先對此進行說明。
接下來談談無線電信號的最大可探測距離。我們此前也曾討論過這一話題，有一種觀點認為，人類自身的無線電信號最多只能傳播到約 100 光年外，因此我們無法接收到更遠距離的外星信號。
這一觀點有時會與信號在傳播過程中因衰減、擴散，以及穿過嘈雜且不均勻的太空而產生的失真相混淆。我們通常認為日常信號會被壓縮（即去除重複模式，並標註 「已去除重複模式」），這使得高帶寬、高壓縮的信號即便通過我們之前提到的巨型望遠鏡，也幾乎無法被接收。
但對於信標而言，這一點並不重要 —— 因為信標的首要目標是在遙遠的距離上被理解，且通常無需進行高帶寬、高壓縮的詳細通信。信標不會壓縮數據，因為特意保留那些重複模式，才能讓信號從噪聲中凸顯出來，更易被解碼。
畢竟，你完全可以在未壓縮的基礎信號之後附加一個壓縮的次級信號，並在基礎信號中說明壓縮方式。例如，未壓縮信號中可能包含提示：「請切換至另一頻率，接收採用如下壓縮方式的高數據量壓縮信號」。不過這並非適用於所有銀河或星系際信標 —— 比如銀河定位系統類信標，可能會假定使用者已了解其傳輸規則和密鑰。
有人提出可以將中子星作為天然的定位系統，我們稍後會回到這一話題，但這也恰好能說明 「無線電信號傳播距離有限」 的觀點並不成立。我們能探測到數百萬光年外的中子星，也能通過射電望遠鏡觀測整個銀河系乃至其他星系 —— 顯然，射電波的傳播距離並非受限於 「最大探測範圍」。
你也可以通過低密度的傳輸方式發送信號，比如以莫爾斯電碼或二進位的形式，以不會受時空干擾、能在目標傳輸距離內被解碼的低速閃爍信號源。若有需要，還能在恆星周圍建造太陽鏡，讓恆星按選定的頻率閃爍，以此傳遞 0 和 1 的信息。即便恆星每秒僅閃爍一次，每天也能傳輸 86400 比特的數據 —— 對於簡單的信息而言，這已經足夠。
我們今天的主題是銀河信標，而非星系際信標，但上述傳輸方式甚至能實現星系間的信號傳輸，且人類目前的技術已能探測到這類信號。顯然，在銀河系內傳輸信號所需的功率會低得多。
此外，信號的傳播距離與傳輸功率的平方根成正比。因此，能探測到十億光年外超巨星閃爍信號的文明，也能探測到一百萬光年外紅矮星的閃爍信號，或是一千光年外由小行星建造的、直徑與行星相當的信號裝置的信號。
所有這些方式，都不及定向發射器的技術複雜度 —— 定向發射器能像燈塔一樣，圍繞自身軸線旋轉，向不同方向發射單一頻率的輻射信號，從而極大地提升信號的傳播距離。
因此，毫無疑問，人類憑藉現有技術就能建造這類信標（儘管對我們而言難度極大）；由此我們也能推斷，外星文明理應掌握相關技術，且會認為與我們技術水平相當的文明，也具備探測這類信標的能力。
現在我們來具體介紹信標的類型。第一種是教學類信標，這類信標的設計目的是幫助技術水平較低的文明發展。在 SETI 計劃早期，這類信標曾是重點搜尋目標 —— 直到人們發現並未找到此類信號。
當時的思路是：如果外星文明有能力抵達地球，卻顯然選擇不這麼做，那麼他們的意圖不可能是惡意的，也不會是過度干預型的。他們要麼是無法殖民整個宇宙，要麼是有能力卻選擇不干涉人類，既沒有早早將我們消滅，也沒有將我們納入他們的 「保護」 之下。
這一點對 SETI 計劃至關重要，因為常有反對者以 「回應 SETI 信號可能引來敵對外星文明」 為由抨擊該計劃 —— 這與 「黑暗森林理論」 及相關觀點一致，該理論認為銀河系很可能是一個黑暗、充滿敵意的地方，文明應保持沉默，而非向 「捕食者」 宣告自身存在。
我們此前也曾製作過視頻分析黑暗森林理論為何站不住腳，其中一個核心論據是：任何能派遣艦隊抵達地球的外星文明，必然也能派遣殖民艦隊，甚至只需發射低成本探測器，就能觀測到這顆綠意盎然的星球，以及過去幾千年裡出現的直線型運河和道路。他們無需等待我們發出信標 —— 早已知道這裡有一顆存在生命的行星。這也是為何針對地球的信標可能會採用定向波束（以節省功率）。
【寫到這裡我希望讀者記一下我們域名 找書就去 TW 看書網，𝘀𝗵𝘂.𝘁𝘄超全 】
如果他們通過波束以 365 像素的解析度繪製出太陽系中的地球圖像，結合地球 365 天的公轉周期，我們很容易就能意識到這一信號是專門針對我們的。因此，我們無需花費時間糾結是否該回復，也不必擔心回復會暴露自身存在。
這類信標可能會向我們傳輸海量的科學和哲學知識。我們接下來要討論的其他類型的信標，本質上也屬於特殊的教學類信標，但這正是 SETI 計劃早期研究者們期望找到的信號類型 —— 直到一次次的搜尋落空。
尤其是在人類登月之前、核武器儲備開始增加的那段時期，有一大批研究者認為，費米悖論的答案很簡單：星際旅行和殖民是不切實際的；且更具侵略性或 「邪惡」 的文明往往會自我毀滅，因此最終留存下來的要麼是天性仁慈的文明，要麼是在核戰爭等殘酷經歷中學會變得仁慈的文明。
這一觀點在那一時期的科幻作品中隨處可見，也對 SETI 研究社群產生了深遠影響 —— 人們設想銀河系中遍布和平的外星文明，他們尊重生命、希望生命得以延續，因此會建造巨型信標，傳輸知識，幫助其他文明生存並變得成熟。
其他例子還包括：外星文明可能通過信標發送建造超波發生器的指令，讓原始文明能夠接收超光速傳輸的信號，接入 「銀河網際網路」。你當然可以坐等其他文明自行研發出這項技術，但考慮到你的目標是阻止他們核平自身、破壞行星環境，或是釋放危險的人工智慧，等到人類研發出目前毫無頭緒的技術時再干預，時機顯然太晚了。