《三體》中用太陽放大信號并不靠譜

都芃

當強大的電磁波從山頂?shù)睦走_天線穿破云層射向天空，巨大的能量使周圍冰雪融化、鳥獸驚散……2月14日，改編自劉慈欣著名科幻小說《三體》的同名電視劇迎來大結(jié)局，劇中“紅岸基地”發(fā)射電磁波信號的場景給觀眾留下了深刻印象。

在“紅岸基地”，主人公利用雷達天線對準太陽發(fā)射電磁波信號，從而將信號放大、向宇宙深處傳遞的一幕，可以看作是整個“三體”故事的開端。雖然這一幕來源于作者天馬行空的想象，但在現(xiàn)實世界的科學探索中，人類早已開始利用電磁波來尋找地外文明。

太陽并非理想的信號放大器

在電視劇《三體》第一集的開始，便交待了這樣一個場景：一位年輕的女科學家調(diào)整雷達天線角度，使其對準太陽發(fā)射信號。這位女科學家正是劇中主人公之一葉文潔，其所在的“紅岸基地”是人類為了探索地外文明，以實現(xiàn)科技跨越式發(fā)展的秘密發(fā)射基地。在這里，葉文潔通過學習，意外發(fā)現(xiàn)了一種特殊的電磁波信號傳輸方法，即利用太陽的鏡面增益反射效應，把太陽當作一個信號放大器，將地球上發(fā)出的信號強度增大幾十億倍。借助這種方法，葉文潔得以將地球上發(fā)出的、微不足道的信號放大到了“恒星級”，從而向宇宙深處的地外文明發(fā)出了召喚，引發(fā)了后來“三體人”來到地球的一系列故事。

利用太陽作為信號放大器，在現(xiàn)實中可行嗎？答案可能并不如小說中那么美好。

中國科學院國家天文臺研究員李然認為：“這是一個滿足劇情需要的科幻設定，在現(xiàn)實中是行不通的。向太陽發(fā)送無線電波，無法產(chǎn)生小說中的那種放大效應。”

借助原著故事中的細節(jié)推測，葉文潔所發(fā)射的電磁波信號頻率應為22000兆赫茲，大約位于微波頻段。頻率略高于人類通信常用的無線電波段。但太陽作為一個恒星，本身會散發(fā)出包括部分微波在內(nèi)的大量電磁波，且強度遠遠高于人類發(fā)射的電磁波。因此當人類對著太陽發(fā)射電磁波時，就像是一滴水流進了大海里，不僅無法放大電磁波信號，其自身也會消失得無影無蹤。

雖然太陽無法放大人類發(fā)出的電磁波信號，但另有一個相似理論確實可以幫助人類放大宇宙信號。根據(jù)愛因斯坦廣義相對論，光線在經(jīng)過大質(zhì)量天體時會產(chǎn)生彎曲，這就類似于透鏡對于光線的作用，因此這種現(xiàn)象也被稱為微引力透鏡效應。如果我們和極其遙遠的發(fā)光天體之間存在一些致密的引力源，它們的引力場便會像放大鏡一樣使得我們接收到的光線強度產(chǎn)生相應變化。于是人類便可以利用這個效應來搜尋黑洞，甚至是其他恒星系統(tǒng)的行星。

圖畫或許是最有效的信息形式

向宇宙中發(fā)射電磁波，試圖溝通地外文明，這早已不是科幻小說的專屬。早在1974年，位于波多黎各的阿雷西博射電望遠鏡剛剛完成改造，天文學家弗蘭克·德雷克便提出，利用該望遠鏡的3臺發(fā)射機，主動向地外星系發(fā)射無線電信號，以期擁有高等文明的外星生物能夠接收到。于是德雷克團隊向距離地球2.5萬光年的武仙座球狀星團M13發(fā)射了一段持續(xù)169秒的無線電信號，這一信號也被稱為阿雷西博信息。

但德雷克與葉文潔最初面臨的問題一樣，發(fā)射信號功率太小。德雷克發(fā)出的無線電信號功率只有450千瓦，在龐大的銀河系面前，這就像對太平洋中投入一粒石子，激起的漣漪微乎其微。但李然表示：“電磁波信號雖然會隨著距離而衰減，但并不會完全消失。能否被接收到，不完全取決于發(fā)射功率，還取決于外星文明的接收能力?！?/p>

此外，要想與地外文明實現(xiàn)有效溝通，信息的呈現(xiàn)形式同樣重要。在“三體”故事中，葉文潔為了能和地外文明溝通，創(chuàng)建了一套信息自譯解系統(tǒng)。她利用宇宙通用的基本數(shù)學和物理原理，建立了一個基本的語言元碼系，隨后在此基礎上建立起了基本的語言體系，實現(xiàn)了與“三體人”的對話。

在現(xiàn)實中，至今仍飛馳在宇宙中的阿雷西博信息由1679個二進制數(shù)字構成。假設該信息的接收者會先將其排成一個長方形，由于數(shù)字1679只能由兩個質(zhì)數(shù)相乘，因此阿雷西博信息便會被拆解成73條橫行及23條豎列。在此基礎上，阿雷西博信息便會呈現(xiàn)出一幅圖畫。如果相反，接收者把它排成了23條橫行、73條豎列，該信息就會變成噪音，沒有任何意義。

在阿雷西博信息轉(zhuǎn)換成的圖畫中，包含了關于人類DNA雙螺旋、數(shù)學、太陽系、天文臺等人類文明的相關信息。但無論人類采用何種“語言”與地外文明溝通，都免不了最終只是“一廂情愿”的可能，因為誰也無法保證地外文明能否完整、準確地理解人類意圖。李然認為，要實現(xiàn)與另一種智慧生命的溝通交流，目前來看，圖像是最好的辦法，“外星文明可能從圖像中找到可以直接理解的信息，比如一個天體的外貌、一個生命體的輪廓等。”

主動尋找地外文明的“聲音”

除了主動發(fā)射信號聯(lián)絡地外文明，人類同時也在尋找著來自地外文明的“聲音”。

自從射電望遠鏡被發(fā)明以來，搜索來自地外文明的信號，一直是其重要的工作方向。不同于光學望遠鏡主要通過可見光觀察宇宙，射電望遠鏡能夠接收宇宙中的無線電波。因此，當?shù)赝馕拿鞲叨劝l(fā)達，具備通信能力時，或許它們發(fā)出的通信無線電波便會被地球上的射電望遠鏡捕捉到。

射電望遠鏡的口徑越大，其捕捉信號的能力越強。被稱為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）是目前世界上最大的單口徑射電望遠鏡。曾多次參與“中國天眼”相關研究的之江實驗室計算天文方向項目負責人、青年科學家馮毅介紹，“中國天眼”最大的特點就是靈敏度非常高，綜合性能大致是阿雷西博望遠鏡的10倍。不過，阿雷西博望遠鏡已于2020年底塌毀。

除了“中國天眼”這種固定式大口徑射電望遠鏡，還有一種口徑相對較小，但卻可以靈活轉(zhuǎn)動的射電望遠鏡。如位于美國西弗吉尼亞的、目前世界上最大的全動射電望遠鏡——綠岸射電天文望遠鏡（也稱綠灣射電天文望遠鏡）。馮毅認為，或許“三體”故事中“紅岸基地”的名字正是借鑒于此。

雖然地球上有諸多望遠鏡正對準遙遠的深空，試圖尋找地外文明的蛛絲馬跡，但目前仍是一無所獲。要搜尋地外文明的信號，首先需要了解其信號的具體特征。但馮毅表示，其實目前人類也不知道地外文明發(fā)出的信號是什么樣的。因為人類也沒有真正發(fā)現(xiàn)過地外文明，無法判斷它們會產(chǎn)生什么信號。目前無論采用何種方式搜索地外文明信號，其實仍是以人類文明的信號特征作為參考，“人類使用什么信號，我們就覺得地外文明也是采用這種信號。比如在射電波段，人類能造出的信號是窄帶的，所以我們也用這種特征去搜尋地外文明信號?！瘪T毅說。

雖然“三體”的故事向人類聯(lián)絡地外文明的行為發(fā)出了警告，但面對未知的宇宙，人類不會停下探索的腳步。