19.
星際電波和電視訊息
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星際旅行所耗的能量極高，而且旅行要求的速度愈快，相對所需供給的能量也愈多。以現今的技術而言，我們尚無法建造一個高效率的星際導航飛行器，而且包含所有其他的外星文明都應該會同意，就算科技進步了，大家也不願意花這麼多的能量，因為其他的通訊方式比較便宜。如果大家都認定不須面對面即可相互交換資訊是主要的發展目標，那我們便可以從無線電波及電視的通訊上開始著手。
在一般性的假設下，我們認定相互通訊聯繫的對象，應是比我們更加先進的銀河系文明。他們可能早在數千、數十萬、數百萬，甚至數十億年前就已經擁有星際通訊的能力。除非這種外星文明著實相當稀少—例如他們有發展的困難，或是自我毀滅的速度相當快—否則只要有意願，他們應當早就完成星際間的通訊了。如果這是真的，那我們所當思考的不是這些先進文明是如何交流的，而是像我們這樣程度的文明生命該如何加入這個通訊網？有沒有任何的測試或“訊息”可尋呢?
所有問題的成立皆立足於一個假設上：宇宙中大部份文明的發展模式皆與地球文明相同。如此之下，只要我們的文明發展在平均程度左右，在銀河系中我們就不用擔心自己會是第一個或最後一個發生或存在的文明生命。所以，我們該動動腦思考的是如何去捕捉到那些星際間川流的電波和電視訊息。基於禮儀及謹慎從事的考量，我們應當先傾聽，而後再傳送出我們的訊息。
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當然，如果大家都只聽而不動手，那便沒有人可以接收到任何訊息了。然而，我們日常生活中使用的無線電波、雷達和電視訊號，多多少少都會遺漏往太空。只要有適宜的天線和接收器，這些迷途的光子是可以在星際間被偵測到的。相對地，我們也有可能竊聽到外星文明間的電波通訊。如果幸運的話，我們甚至還可以攔截到文明間相互傳遞交流的資訊和娛樂訊息哩！在進一步的細節討論前，我們得面對的有四個問題：
1.
天線接收的方向？
2.
最適合星際通訊的頻道為何？
3.
頻率的使用範圍如何？
4.
我們和新夥伴敞開星際對話大門的“標準”訊息為何？
從何處著眼?
在第392頁？？？我們已經列表整理了離地球最近的所有恆星，其中有些恆星可能擁有形星系。在與太陽相似的鄰近恒星系中較有可能發現到其他的文明生命，這是因為電波光子的強度是與距離的平方成反比遞減的。然而，我們至今尚無法從如鯨魚座t和波江座e等最佳候選人上，偵測到任何文明可能存在的証據1。因此，我們必需要有個長遠之計，一一地搜尋所有可能的恒星，直到找到離地球最近的文明為止。那麼，該從那顆恒星開始呢?
在相關條件皆相同的狀況下，我們必須考慮到電波訊號強度的問題。由於與電波發射源的距離每增加一倍，訊號的強度—也就是接收天線每秒所能收到的光子數—便會減少4倍，因此由近距離的文明所發射的電波強度會遠強過與我們相距遙遠的文明。也基於這個考量，我們才決定由近距離的恒星開始尋起，然後再往遠方推進。當然，另一個可能便是在銀河系中，某些少數的文明生命會發射出非常強的電波訊號，這會使我們將遠距離的文明生命誤判為近距離，所以，在專注於對鄰近恒星搜尋的同時，也要對整體銀河系有個概略的瞭解。
註解1：
必須注意的是，我們所想要偵測到的，是一個短暫微弱的訊號，而且它的頻率只是數百萬種可能頻率中的少數。
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表16.1所列舉的一些鄰近太陽的恒星相當適合成為我們搜尋外星文明的起始目標。其實目前的科技是足以發現與表中所列距離4秒差距以外的任何外星文明。只要投注心力於所需設備的發展上，我們可以在鄰近太陽的數千個恒星中，偵測到任何文明所發出強度與電視、電波及雷達相當的訊號。所以，就算偵測鄰近文明所發出的訊號比較不費功夫，我們不應當只侷限於尋找與我們最接近的幾顆恒星。相反的，應當將銀河系中與我們相鄰的這數千顆恒星都作為電波訊號偵測的目標。而問題的癥結則又回到哪些恒星才值得我們賦予更多關愛的眼神呢？
對於這個問題，目前最好的答案應該是：那些與太陽相似的恒星。而單一星系則似乎比雙星及多星系更加合適，不過相差倒是無幾。另外光度與太陽相當的恒星則又比低光度，如巴納德星的M恒星強得多，因為它那晦暗的星體外圍，只環繞著極小的生態圈例如只有極小生態圈（見第395頁？？？）。在限制光度必須至少是太陽的百分之一的條件下，我們就可以捨棄銀河系中百分之七十五的恒星(見表16.2)。但是，這剩餘的百分之二十五的恒星，也有750億顆之多，而其中有數十萬顆恒星是在我們接收器的能力範圍之內。極亮的恒星，只有數十億年的生命期，在我們認為它是不足以產生文明生命的，所以被剔除於名單之外。這些極亮的恒星，總數不到全銀河系的百分之一，所以在捨棄它們之後，仍然有為數相當多的恒星供我們來搜尋。
總而言之，如果所有文明生命所傳達的電波訊號皆有著約略相同的強度，那麼最佳的搜尋策略便應該是在所有光譜型式落在F5到K8之間的單一和多星系中，逐一地過濾尋找—也就是說，尋找那些生命期最少有50億年並且具備有相當的光度以產生適當大小適居帶的恒星。由第11章的討論中可以看出這些恒星才比較有可能擁有行星，而且我們可以合理地推論出，平均來說，每四個行星系中便應當有一顆行星具備有適合生命發展的條件，因此便有文明生命存在的可能性。當我們在檢視這些統計數字時（如同我們在第17章中所作的），我們發現至少要尋找過數千顆恒星後，才有可能踫到另一個存在的文明(見第412頁？？？)。這個看似艱辛困難的任務應該不會難倒我們的。如果每天檢視25顆恒星，那麼每三年就可以搜尋過25,000顆恒星。如此一來，星際的接觸當是指日可待。因此，所有的關鍵便著落在建造搜尋任務所需的電腦及接收系統上。
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搜尋的頻率？
我們怎能寄望自己能夠決定出偵測外星文明生命所需的最佳頻率？而且想要知悉外星文明發射訊息的方法是不是一個不可能的任務呢？事實上，我們相信外星文明和我們一樣，也使用大致相同的方法通訊，因此，我們應當可以決定適當的使用頻率。
有時我們可能會不小心“竊聽”到外星文明自己內部的通訊，因此我們必須要能夠加以分辨我們所偵測到的是內部訊息，還是其為了在星際間尋求其他文明而發出的訊號。雖然電波和電視廣播的對象是設定於人類的(除非廣播業別有用心)，但是電波—電視的頻率確實有它的優點而能讓我們使用於任何通訊交流的目的上。
在電磁光譜上(圖19.1)，光子的能量分佈，由最高的珈瑪射線到最低的無線電波，其間的差異達十億的平方倍(1018)。而在這麼廣大的分佈中尋求單一的光子頻率，的確如大海撈針。然而，宇宙中大家公認最“自然”的參考頻率為何？當任何文明想要與其他文明相互通訊時，第一個想到的會是那一個頻率呢？雖然我們不能指出某一個單一頻率，然後說：“對！這就是星際通訊的頻道”，但選出較為可能的頻率範圍倒是在我們的能力範圍之內。我們有三大法則來做為篩選的依據：經濟性、不受干擾的能力、以及可否做為宇宙頻率的指南。讓我們一一地來討論。
選擇電波光子的第一個原因便是它的經濟效益，也就是通訊的成本花費。如果我們將訊息視為由單位個體所組成，那麼每一個最小的單位，也就是資訊學家所說的“位元”便至少需要一個光子來傳遞。為了避免錯誤及確保可偵測性，每位元所需的光子數可能會多於一個，然而對於無線電波訊號和可見光訊號的傳遞，每位元所需的光子數倒是相差無幾。如果把無線電和可見光相互比較一下，我們馬上就會發現一個重要的事實：每一個可見光光子所攜帶的能量是一個電波光子的百萬倍。因此，以能量的觀點而言，它也就需要百萬倍的次數來傳遞。簡單的說，無線電波要比可見光便宜多了。
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圖19.1
電磁光譜各部分的名稱。低頻率、長波長的無線電光子區域包含了AM和FM無線電波以及電視傳播的頻率，而藉電波反射測量物體距離和速度的雷達，其使用的頻率也在這個區域當中。
選擇訊號收發所使用的頻率，其中第二個要件便是它不會在傳訊過程中被吸收掉，某些光子是不能在星際間自由運動的。在這個考量之下，除了最低的一些頻率外，無線電波又再次地符合我們的要求。欲知詳情，我們便要探討一下光子運動時被吸收的情形，同時在意圖偵測攜帶訊息的射線之放射源時，我們也必須探討光子與其他放射線間的干擾狀況。
在銀河系的天文探險中，無線電波在長距離通訊上，比起可見光有著相當明顯的優勢。星系核心或者旋臂的照片之所以無法取得，是因為銀河系平面上這些位置的恒星所發出的光皆被其間的塵氣所吸收。然而，除了一些特定的頻率會被原子及分子吸收外，使用無線電波來顯示這些銀河系的特徵倒是相對容易地多。在我們的太陽系中，我們可以使用雷達或微波幅射輕而易舉地穿透可見光所不能穿過的金星雲層。
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在考量其他形式放射線干擾的狀況下，無線電波仍然有著相同的優點。由環繞恒星運行的行星上所發射的可見光（或許是由極強的雷射加上巨大的望遠鏡所發射出）必須和由恒星本身放射出的巨量可見光能相抗衡。而我們卻可以非常容易地利用無線電波頻率來傳送訊號，因為在這個能階上的星體幅射是相當微弱的。的確，我們將會見到，即便是如同我們這種不算非常先進的文明科技，都已經能夠在特定的無線電波頻率下，使用大量的能量來傳遞訊息，這個能量比太陽在該頻率所釋放的還要大。
然而，由兩種不同源頭所發射的無線電波是一直存在的，它們就好比是宇宙的“背景”能量。這兩種來源，一個是大爆炸後所遺留的幅射(見第二章)，另一個則是磁場中，由電子的螺旋運動所引起數以萬計的同步加速粒子所產生的幅射（見第72頁？？？）。這兩個來源定義了電磁光譜上無線電波的“視窗”。這個視窗不僅在放射競爭上佔有優勢並且它也在我們期待會與外星文明發生通訊接觸的範圍（圖19.2）。
對於較長波長的無線電波，大部分都會被地球的“電離層”所反射(圖19.3)。這個頻率範圍包括了商業電台AM廣播所使用的頻率。電離層在幫助散佈無線電訊號的同時，卻也大幅降低了外星訊號被我們接收的可能性。至於FM無線電波和電視，尤其是UHF頻道，則不受到上述的限制。對於視窗中較短波長的部分，則會被地球大氣吸收。我們可以藉由設置環繞地球運行的收發站來避免這樣的問題，但是如同前面所說的，來自銀河系本身的無線電波將使得這種設置方法並沒有比地面接收站更具效益。
目前，我們對無線電波頻率範圍的考量都是基於經濟性以及對吸收和干涉的免疫能力。然而，我們能否在無線電波頻率的範圍中，找到一個宇宙通用的頻率呢？如何分辨出那一個特定的無線電頻率是最有可能與外星文明發生共鳴的呢？
這個問題在1959年第一次由菲利浦．莫瑞森(Philip
Morrison)和吉爾斯比．寇寇尼(Giuseppe
Cocconi)提出來討論。他們指出宇宙中最重要的單一無線電頻率應當是1420百萬赫茲(MHZ)，這是經由氫原子的自旋顛倒過程所放出的無線電波頻率（見第86頁？？？）。星際間氫原子的自由踫撞便會產生這種現象。有一些原子持續在自旋顛倒的狀態，因而放射出特徵性的無線電訊號。因此，在包括我們所處的銀河系及其他的螺旋星系中，含有百分之九十氫原子的星際雲氣將會持續放射出頻率1420百萬赫茲，波長21.1公分的無線電波。任何研究星系的文明生命都知道這個無線電波的存在，它在特定的頻率會產生數量最多、範圍最廣的輻射。並且，1420百萬赫茲的光子能作長途旅行，因而能被偵測出來。在與宇宙中其他放射線的競爭下，1420百萬赫茲的頻率區仍是相當清晰的。
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圖19.2
如果將會干擾無線電訊號接收的來源製成圖表，我們便會發現有一個光譜的谷地，存在於無線電光譜的低頻長波端(有著來自銀河系較強的干擾)以及高頻短波區（受到地球大氣吸收干擾較強的區域）之間。而在這谷地當中有一個“水洞”，在其頻寬內，氫原子與氫氧“自由基”會放射出無線電波—並且兩者相合而生成水。
由於都卜勒效應，外加銀河系中的原子均是與我們或即或離的相對運動著，因此在1419和1421百萬赫茲的頻率範圍中存有大量藉氫原子的自旋顛倒而產生幅射的光子。事實上，銀河系及其他星系中的所有氫原子，使得地球沐浴在能量相當於20瓦特燈泡的1420百萬赫茲無線電波下！當研究1419到1421百萬赫茲的頻寬時，我們發現1420百萬赫茲幅射在被吸收後，仍會有後續放射的現象，因此我們可以定位出星際間氫原子的分佈狀況。然而，在這相當窄小的頻率範圍之外，還有其他頻率有著更佳的條件。無線電波的範圍中，比1420百萬赫茲稍高或稍低的頻率區，只有極少數的原子和分子會對無線電訊號發出自然干擾。人為產生的干擾那又另當別論了：其實只為了釐清1420百萬赫茲上下的窄小頻率範圍，就已足夠讓地球上的電波天文學家馬不停蹄地奔波忙碌了！
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圖19.3
地球的電離層有大量離子，可以反射大部分的長波長無線電光子。這些光子包括了AM廣播所使用的頻率。但電離層對FM無線電波、VHF或UHF電視，或者微波這些具較短波長的光子則沒有任何作用。
假設我們或任何的文明生命都會自然而然地選擇1420百萬赫茲附近的頻率作為星際間的通訊頻道，並且這種頻率已經使用在區域性的聯絡中，那麼我們便可以寄望在相同的頻率上“竊聽”到其他文明的存在。但我們仍然必須面對一些細節上的關鍵問題：例如最接近1420百萬赫茲的訊號頻率為何？所容許調整的頻率範圍有多大？這個頻率是比1420百萬赫茲高還是低？
如果相信水是任何一種生命形態存在的必需品（見第10章），那麼或許我們就能發現物理學家貝納德•奧利佛（Bernard
Oliver）見解的微妙之處。由於每一個水分子是由一個氫原子及一分子的氫氧自由基所組成，奧利佛認為1420到1721百萬赫茲是最有可能成為星際通訊的頻道。氫氧自由基藉由與氫原子相類似的放射方式，而產生一系列頻率的光子—1612、1665、1667和1721百萬赫茲。這一系列的頻率變成了氫氧自由基的招牌，這就如同氫原子有著一個更受注目的頻率路標在1420百萬赫茲一般。如果水對於每一種生命皆是如此地重要，從H＋OH＝水的事實上來看，或許1420到1721百萬赫茲真的是宇宙無線電波的調頻網—也就是星際通訊發生的頻率範圍之所在。貝納德•奧利佛（Bernard
Oliver）稱這段區域為“水洞”：一個星際文明交會聚集的地方（在光子頻率上；見圖19.2）。（請注意水分子本身也會放射出沒有主要頻率或系列的複雜電波。）
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頻寬和頻率範圍
在假定知道星際通訊最有可能發生的頻率後，我們仍然必須決定訊號所涵蓋的頻率範圍（圖19.4）。由於都卜勒效應以及一些其他因素，訊號不會只發生在特定的單一頻率上，相對的，是分佈在某一頻率範圍之內。因此，除了要決定尋求的頻率外，也要決定所使用的“頻寬”—頻率範圍的基本單位。換句話說，我們必須選擇尋求的範圍（頻率範圍）以及頻寬（頻率範圍的區間單位）。我們應該把範圍區分到如1赫茲如此細微的間隔嗎？這對我們偵測那些存在於極小頻率頻道內的訊號是有所幫助的，但是面對如1000百萬赫茲的搜尋範圍而言，以1赫茲為單位的解析度來說，我們便會需要十億次個別“頻道”的搜尋。所幸我們已有解決之道。
困難之處是在如何預測其他文明會使用的訊號頻寬—包括區域性及星際間往來所使用的—以及所需搜尋的頻率範圍。關於頻寬的擇取是有幾個要件的，我們會依序地作考量。而另外兩個主要要件便是訊號的快速傳遞，這便需要較大的頻寬，以及相較於背景雜訊更為清晰的訊號，而這卻又需要較小的頻寬。
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圖19.4
在未知“頻寬”或者是頻率範圍下，搜尋訊號所產生的問題。如果頻寬大於訊號本身，我們將無法偵測到本身便已微弱的訊號，因為在大頻寬之下訊號將無法自雜訊中分離出來。相反地，過小的頻寬使我們只能抓住訊號的小部分，同樣也會使我們無法偵測到微弱的訊號。
當訊號傳抵時，接收者必須要能分辨出訊號本身及“雜訊”—也就是來自宇宙中各種不同來源的相近頻率光子（圖19.5）。相同的幅射能量下，較窄的訊號（即訊號侷限於較小的頻率範圍內）也比較容易與雜訊相區離。
想要降低傳訊的成本，訊號的頻率帶便要愈窄愈好。而“星際間分散作用”則導引出頻率帶一個相當重要的極小值。當無線電波經過星際間的帶電粒子時（大部分為電子），它們會改變無線電波的頻率。此外，電子雲的移動也使得這種改變是毫無章法可循。所以，就算知道當初無線電訊號送出的頻率，甚至也清楚發射源與我們之間確切的相對速度所造成的都卜勒效應，我們依然無法預期無線電波抵達時，其頻率的變化。這種改變使得頻率範圍的最低界限大約在0.1赫茲。想要使傳遞訊號的頻率帶低於這個範圍，都將是徒勞無功的，因為星際間的分散作用會把訊號在傳送的過程中加大到最少0.1赫茲。當然，擁有大量資源的文明生命，可能會使用一個廣闊的頻寬，以便盡可能地傳送更多的訊號。對此，我們所需要的將會是一個非常大的望遠鏡，而不是去搜尋那些窄小頻寬的訊號。
圖19.5
將訊號集中於一個較窄的頻寬，使得訊號相對於遍存所有頻率的雜訊要突顯得多。
星際間的電子則又製造了另外一個問題：當無線電波與電子撞擊時，它的頻率及方向皆會發生些許的變化，而變化的大小是無法掌握的。這些小變化就如同夜觀星空時，由於星光與地球大氣的粒子發生散射作用而顯得“閃爍不停”。所以再次強調，過於窄小的頻寬設定對於訊號搜尋的工作是無濟於事的，因為即便是零頻寬的訊號，在星際間的傳送過程中，其頻率也會發生些許不定的變化。
因而，讓我們假定0.1赫茲便是任何文明進行星際通訊的最小頻寬。廣播電台使用的AM頻寬是10仟赫茲“10000赫茲”，FM頻寬則是200仟赫茲。電視則需要更大的頻寬，每一頻道大約是6百萬赫茲。然而，電視台大半部分的發射功率都用在“視載訊號”上，而這個訊號的頻寬尚不足1赫茲。
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這個訊號並不含有任何影像的資料，但比起頻寬是6百萬赫茲的影像訊號而言，它是非常容易被偵測出來的（因為頻寬較窄）。FM的無線廣播訊號也是相類似的狀況。那麼接下來的工作便在於如何分辨哪一個頻寬才是含有真正的訊號。我們真的要以0.1赫茲為單位，來對1421到1721百萬赫茲這個共300百萬赫茲的頻率區域來作30億次的搜尋嗎？如果我們以1赫茲為單位，仍然要作3億次的搜尋。不過這個作法還算可行！
對星際通訊興緻勃勃的電波工程師，在面對上述的困境時，已經設計出可以同時接收1千6百萬到3千2
百萬個頻道的接收系統！換句話說，我們一次所能調教的接收頻率不會只有一個，而是可以同時檢視上百萬個的頻率。雖然離30億個頻道的要求仍有一段距離，但是一下子增加了1千6百萬到3千2百萬倍的效率，依然是不容被藐視的。假如我們真的可以同時分析1千6百萬到3千2百萬個不同的頻道，那麼在有正確的尋求方向以及搜尋的訊號確實落在我們的頻率範圍之內的大前提下，發現訊號的希望便可嶄露一絲曙光。而接下來面臨的問題便會是：如何確定所接收到的是來自另一個文明的訊息，而不是宇宙中的某種雜訊？
如何辨視來自其他文明的訊息？
我們尋求外星文明的整個計劃乃是架構於無線電波光子是宇宙通用的傳訊光子。表19.1列舉出地球上無線電波光子的主要來源。其中可以看出，無線電波功率主要來自頻率範圍在40到850百萬赫茲的電視傳播以及使用高強度無線電波脈衝掃瞄太空防衛網的雷達系統，而且基於安全的理由，它的頻率是時時在變換的。那麼，如果在類似的頻率範圍內，我們“竊聽”到其他文明內部的通訊，那麼所偵測到的訊號會是什麼呢？
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表19.1
對現今操作頻率高於2千萬赫茲的無線電波光子來源，其輸出功率所做的估計表
＊本表格，連同圖19.7、19.8以及19.9，乃是根據W.Sullivan
Ⅲ，S.Brown，和C.Wetherill刊登於Science,vol.199、P.377，1978的研究報告。
+此處僅考慮功率最強的防禦雷達，其輸出功率比其他雷達系統的總合輸出功率還要高出許多。
藉由敏感度夠高的天線，我們可以分別出不同的電視節目，並進而見到節目的內容。同樣地，在雙向接觸的過程中，也會有著不同階段的分析結果，這些全憑我們想要深入探討的程度。若距離較遠而且接收敏感度不是很好的狀況下，我們只能測知天空中某處產生了大量的無線電光子，但並無法知道這些光子所攜帶的資訊內容。如此一來，便無法確認所偵測到的真的是另一個文明世界發出的訊息，還是自然產生的無線電雜訊。然而，我們是可以依下列的方法來做進一步的分析：訊號在頻率分佈上是遠比雜訊要來得集中。此外，訊號強度依著時間有規律且複雜的變化。接下來，我們可以將訊號頻率與原子和分子的無線電波放射表格相對照，如果無法找到相符合的，那麼可能我們已經找到一種新的分子—或是另一個文明的世界。
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行星的自轉運動表示如果無線電傳播的來源不是平均分佈於行星上的話，除了南北極上方的觀察者外，其餘的都將會偵測到一個強度循環性變化的光子訊號。圖19.6指出地球上2200個最強的電視傳送站，主要集中於美國、歐洲，和日本。這些電視站大部分的無線電波皆是沿地表傳送，而不是直線傳送。如此一來，當地球自轉時，觀察者可以見到訊號極值隨著每一發射站在地表水平線上下起浮的狀況而變動（圖19.7）。這種訊號型式每天會重複出現一次，因此意味著這個訊號可能是某種非常緩慢的脈衝星（見第145頁），或者是來自於非自然發射源的無線電訊號。
一個觀察員如何能毫無疑問地分辨出週期為一日的地球自轉和旋轉週期為一秒的脈衝星？任何一個觀察員都會警覺到不只是緩慢的脈衝星，其他如地球的自轉和公轉皆會引起無線電波訊號的都卜勒位移。位於另一個行星系的觀察者將會觀察到每一電視頻道的訊號，會以每天數百赫茲、每年數千赫茲相對於平均頻率的頻距來回位移。一個研究太陽系的外星學生因而發現這個無線電波是發自太陽的附近，而且其強度變化以一日為週期，頻率變化則以一年為週期。如此，他便可以推論太陽軌道上有一物體一年運行一圈，並且一日自轉一圈。這些週期都是由傳送的無線電波中發覺出來的。
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圖19.7
地球自轉時，除了南北極上方的觀察者外，其餘的觀察者將會見到無線電波放射強度的變化。當頻率最強的傳送站出現在地表水平線上時，觀察者會接收到極大量的無線電波，這是因為訊號的發射集中在與地平線平行的扇形區域中。
當然，我們想要偵測到別的行星上的無線電及電視站，這些發射站的數目必須更多，功率必須更高。在地球上，無線電波是最近才驟然興起的。圖19.8便是1940年以來，無線電及電視傳訊的功率變化：頭30年便增加了千倍，爾後這個趨勢依然持續，只是增加的速率不及1950年代。
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與太陽相距65光年（20秒差距）的區域內有近3000顆恒星。只有這些恒星或是其行星群有這個機會能偵測到地球自1927年來所放射出的無線電和電視的光子。
圖19.8
地球上無線電波光譜區域的輸出功率自從1939年第二次世界大戰開端以來，已經增加了數千倍。
這些恒星身陷於以地球為中心的無線電波泡泡當中，並以光速向外擴張。非常接近地球的恒星才有機會隱約聽到1950年代“我愛露西”的節目，而且需要過一年之後才能見到披頭四在艾迪•蘇文的節目上露臉。需要再經過400年，鄰近的數百萬顆恒星才有可能接收到我們的無線電訊號。在這之前，它們對地球文明的存在是根本一無所知的。讓我們反過來想想，對其他“年輕”的文明，如果我們要能接收到這些文明在過去70年中所發射的訊號，那麼他們應位於4000顆鄰近的恒星中。(當然，一些生命期長或相距遙遠的文明生命，早在數千年前便已發出的訊號，時至今日我們才能收得到。)
如先前討論過的，在一百萬顆恒星中也不見得能發現一個文明的存在（見第412頁？？？）。想要完成搜尋外星文明並進而與其有所交流的壯志，我們必須寄望大部分的文明在其發展出星際通訊能力後，至少都能夠繼續存在個數千年。
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無線電搜尋其他文明的現階段狀況
以往的無線電波搜尋是以地表為基地，但並沒有太大的進展。相較於其他觀測計劃，我們在這方面所做的努力很少，這是可以理解的，因為在無線電波觀測站的研究計劃中，大部分都是以自然發射的偵測為主。在麻省哈佛附近，一個相當老舊的無線電波望遠鏡，它具有直徑26公尺的天線，被用來“專職”於搜尋在“魔術”頻率1420百萬赫茲或是2倍於1420百萬赫茲頻率周遭的訊號（見表19.2）。這個由名為行星學會的私人團體所贊助的電波望遠鏡，自1985年啟用至今，尚未聽到任何外星文明的聲音。
表19.2列舉出在美國、加拿大和蘇聯持續進行中的13個搜尋計劃。從德瑞克方程的計算可知，如果想要能“竊聽”到外星文明“洩露”出與我們無線電波功率相當的訊息，並且要能接著調整出正確的頻道，那麼我們需要一個比麻省那座26公尺碟盤大許多的天線來收訊。
為什麼需要一個這麼大的天線呢?竊聽是要比直接偵測一個方位、頻率頻寬皆已知的放射訊號要來的困雖許多。訊號束在窄小的頻寬中所擁有的無線電波能量，比起多方向發射的高頻寬訊號要集中許多。現在，阿里西柏電波望遠鏡便有這個能力與銀河系中任何一座類似的望遠鏡相互通訊，當然，只有在三個最主要的關鍵—方位、頻率、以及頻寬都已知的狀況下，才有可能實現。阿里西柏電波望遠鏡是目前最大的天線，它的直徑有三個美式足球場那麼大。但是建造這樣一個天線其實並不昂貴，這是因為它的造型能與地勢相互地配合。(圖19.9，
19.10以及彩圖19)。
天線大小固然是個棘手的問題，但搜尋文明最困難的地方並不在於天線的大小，而是在於正確的頻率。除非某個文明生命使用極大的無線電頻率範圍來通訊，而且逸漏向星際間的訊號，在每一個頻率皆有相同的能量，否則以最大的無線電波能量來偵測每一個頻道，將會是我們希望寄託的所在。但是如同在第464頁？？？所討論的，單單在1420到1721百萬赫茲的”水洞”區堿，便已有超過十億個可能的頻率需要測試了。
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我們再一次需要求助於“多頻分析儀”的幫忙。在長年缺乏經費的支持下，1988年，美國國家太空總署（NASA）中參與外星文明搜尋計劃（SETI）的科學家們依然完成了一個稱之為微波觀察計劃（MOP)的六年研究。MOP計劃的核心在於一個可以同時間觀測1千6百萬到3千2百萬不同電波頻率的先進接收系統（圖19.11）。
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圖19.9
波多黎各，阿里西柏附近的巨大電波望遠鏡，座落於碗狀石灰岩的中心。它將無線電波反射到高架於200公尺上方的“供應器”。這座天線直徑達300公尺，大到足以容納全世界一年所消耗的啤酒量。
NASA的科學家們從1992年10月12日，也就是哥倫布發現新大陸的500周年紀念日，開始使用這個接收系統，聆聽來自外太空的消息。雖然初始的進展並不大，但他們希望在1996年前能使這個系統完全發揮功用，並且寄望在下一個千年之初，就能夠找到我們的第一位好鄰居。
有了這個新的接收系統，NASA便不再需要建造新的電波天線。搜尋計劃將啟動世界上包括阿里西柏電波望遠鏡在內的所有電波觀測站，來搜尋外星文明。在銀河系中我們應當從何處著手文明生命的搜尋？NASA將使用這座新的接收系統，分別執行兩個不同的搜尋計劃，以企圖回答這個問題。
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圖19.10
工作人員正在調整阿里西柏反射望遠鏡上的嵌板，他們必須穿上特製的鞋子以免損傷表面，因為表面的準確度是不能低於一公分的。
定點搜尋
外星文明搜尋（SETI）的第一個計劃便是定點搜尋，科學家們會將天線對準800個鄰近的恒星，並在每一顆恒星上停留5到15分鐘。在銀河系三千億顆恒星中“前800名最佳的候選人”，必須具備下列的條件：
1.
與太陽距離在25秒差距(80光年)之內；
2.
全部屬於星族I（也就是具有較高比例“重元素”的恒星，以利生命的起源發展；見第140頁？？？）；
3.
必須是單一星系，如果是雙星或多星系的成員，它與其他成員的距離要夠遠，以穩定行星的軌道；並且
4.
必須是光譜型式F、G、或K的主序星，也就是說它們較有可能具有大小適中的適居帶，並且不會一下子就燃燒殆盡（至少10億年），以方便生命進化到具有“智慧”的階段。
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圖19.11
“多頻道”接收器的原型機種。NASA希望藉這個儀器同時分析1千6百萬到3千2百萬個不同的電波頻率，以幫助外星文明搜尋（SETI）計劃的進行。
每一顆恒星的頻率偵測範圍都是包含“水洞”（見圖19.2）在內的1000到3000百萬赫茲之間。定點搜尋800顆恒星的計劃，大約要6年的時間才能完成。
巡天觀測
因為智慧文明（如我們所定義的）可能都不在這800顆“最佳候選人”的名單當中，外星文明搜尋（SETI）的科學家們因而計劃對距離遙遠但能發射出強力（比我們強）無線電波的外星文明作觀測。這樣的“巡天觀測”大約也需七年的觀察時間，並要使用在加卅金石（Goldstone）以及澳洲提賓畢拉（Tidbinbilla）的電波望遠鏡。這種觀測的頻率範圍由1000到10,000百萬赫茲。由於這些巨大天線所接收到的電波光子僅來自天空一隅，所以在每個方向的觀測大約是1秒鐘。這種巡天觀測法將可證實是否有一些文明使用著極高功率的無線電波，因而使它們掩蓋住距離近、電波功率相對偏低的文明。
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NASA無非是想藉由定點搜尋和巡天觀測這兩種方法，希望能在外星文明搜尋(SETI)上，做出一點成績。而這種努力的附加成果便是使得天文學家們對於定點搜尋中的800顆恒星有更深入的暸解，並對巡天觀測中所發現到的新電波源有更多的認識。但是無論附屬的成果如何，SETI的最終目的還是在意圖回答人類懸宕已久的問題：我們是孤單的嗎?如果不是，那又要如何與我們的鄰居發生交流呢?
我們可以收發哪些訊息呢？
假設在這個世紀結束前，SETI的科學家們真的竊聽到其他文明的通訊而證明了他們的存在。科學家們認為如何去認定他們的文明程度應該不是一個太大的問題。雖然會發生一些“假警報”的狀況，但是人造訊號會集中於窄小頻率帶的這個特性，使得科學家們能有效地把它與自然訊號分別出來（見第463頁？？？）。最困難的該是對評估為“智慧”訊號的解碼工作。這將是人類學家（或該稱之為“異人類學家”—即研究“特異人種”的專家）的一大挑戰，他們將試圖重建遙遠的行星系所使用的通訊語言。
解碼是耗時的工作，但至少由所獲得的訊號便可以確認該文明存在的方位及所使用的頻率。那麼下一步該怎麼做呢？我們應該回寄一個訊息嗎？還是小心翼翼地等到我們完成對他們通訊內容的解碼，並依此分析他們的族群特性後，再作定奪？相反地，這些對外發射訊號，宣告他們存在的文明生命，是否也會接收到類似的訊號？
一切只有在真正發現其他文明的存在後，才會有所解答。既然我們已經不計一切地放任無線電波逸漏於太空之中，我們為什麼不乾脆傳送一個精心設計的訊息給可能存在的外星文明？而其他的文明生命是否也有著相同的想法？另一方面，我們或者是外星文明，憑什麼要歡迎星際芳鄰的出現，或是回函給發出訊號的文明生命？關於這點，人類的看法便已經相當地分歧，相信這會需要在更多的討論之後，才有辦法定案。而在此之前，別驚訝於有些天文學家，早已經以個人的名義，修書數封，寄往宇宙中未知的街坊鄰居了。
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圖19.12是在1974年11月16日，在阿里西柏觀測站（彩圖19），藉著巨碟發射出去的無線電波訊息。這個含有1679個位元的訊息是朝向武仙座中的球狀星團M13發射的（圖3.13）。圖19.12中的位元是以0’s或1’s出現，但事實上，每一位元是由一個“開”脈衝，在2400百萬赫茲附近的兩個頻率當中（兩者相距75百萬赫茲），擇一並持續發射十分之一秒，又或者是一個“關”的暫歇狀態介於兩個“開”脈衝之間。
圖19.12
阿里西柏電波望遠鏡在1974年朝向M13球狀星團所發射的訊息，其中含有1679個位元的資訊，都是“開”或“關”的位元，在此以0’s及1’s來表示。
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這個訊息的全部頻率範圍是10赫茲，雖然是最小頻寬的100倍，卻也只是AM廣播頻寬的1/100。由於這個星團距離我們有7700秒差距之遙，因此相較之下，大約20年的傳送時間，實在不算什麼：這個訊息在25000年之間會抵達M13，在被解讀完成後，如果有回覆的訊息的話，我們接到時，也已是西元52000年了。
其他的文明在接收到這樣一個訊息時，會如何處置呢？如果收到訊息的是我們，我們又會如何反應呢？我們相信其他文明可以解析這個由1679個位元所組成的訊息。可能有人會問道，為什麼是1679個位元？數學家應該會注意到這個數字是23和73的乘積，而且沒有其他的選擇；23和73是質數，無論使用那種計算方式，他們除了1和本身外，沒有其他的因數。至少對我們而言，我們可以依此建立一個73行，每行含有23個位元的資訊，或者是23行，每行73個位元的訊息。第一種安排方式會呈現難以辨識的內容，但第二種方法則會展現出圖19.13中有趣的陣列圖示，在這裡，我們以白色方塊代表0，黑色方塊代表1，增加對比的效果。這個圖示其實是經過精心策劃的，它含有天文學家想要表達的一些訊息。
訊息上端開始的部分是天文學家所使用的數字系統，以二位法表示出1到10的數字，並且附加”數字記號”說明在什麼時候，符號是代表著一個數字。因為二進位法是數字寫法中最簡單的一種（雖然大部分的人都沒聽說過這種方法！），這個部分的訊息可以算是一個起始點。
下一個部分則是一系列的數字1、6、7、8和15。這些數字都是奇數，所以應當具有特別的含意，尤其當我們特別注意到原子原子序（質子數）中的第1、6、7、8和第15個原子。這些原子分別為氫、碳、氮、氧以及磷。聰明的收訊者應當知道，這是與人類息息相關的五大元素（並非每個人都會把磷與其他四個元素放在同等的地位；如同第七章中所討論的，其餘四個元素是遠比磷要重要的多。）再往下看，我們發現有12組圖示，每組中皆含有5個數字。而每一組即代表一個生命基本分子的化學式，而該分子的組成元素（氫、碳、氮、氧以及磷）也被標示出來。這些分子包括DNA的四個組成鹼基—胸線嘧啶、鳥嘌呤、腺嘌呤、胞嘧啶（第163頁？？？）—加上磷酸鹽基（PO4）和脫氧核酸糖分子。
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圖19.13
將阿里西柏訊息所含的1679個位元安排成為23行、73列的陣列方式，並且將開和關的位元賦予不同的顏色，如此一來，一個饒富資訊內容的圖片便呈現出來了—靜待外星文明的解讀。
再往下看，我們便見到DNA這個生命基本分子的化學結構（第165頁？？？），圖中所示便是人類遺傳物質主要的攜帶者，染色體中DNA的雙螺旋架構（由約40億對鹼基所組成）。在雙螺旋結構的尾端便顯示出人類的概圖。藉著這個順序指出DNA與發射此訊息的文明生物間的關係。在人形圖的右側，有一條由頭到腳的線段標明了人類的身高是14（以二進位法表示）個單位。由於訊息中唯一的通用單位是傳訊使用的光子波長，換算一下身高，便相當於14x12.6公分=176公分，或說是5尺10吋高。人形圖左側標示著數字40億（基於二進位與十進位的不同，應當是40億左右），代表當時的人口總數。
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在人形圖下方的是太陽系。太陽在右，九大行星分列在左。第三顆行星（地球）的位置則朝向人形突出，暗示著人類居住於地球上。在太陽系圖形的下端是一個電波望遠鏡，圖中並顯示其將光子“集中”於中央點。最後一行標明了電波望遠鏡的大小為2430個波長或306公尺。
這個含有1679個位元的訊息是相當地充實！其中包括了數字系統，重要元素，以及組成我們生命的雙螺旋分子，另外更有人類的身高和數目，並且居住在太陽系的第三顆行星上，建造了直徑為300公尺的望遠鏡做為星際通訊之用。就算收到訊息的外星文明無法完全解讀所有內容，但至少他們會知道有我們的存在以及我們渴望交流的意願。而光子在被接收時的強度使得地球在該頻率下像是最閃亮的“恆星”，這方面也展示了我們的科技能力。
電波訊息以光速前進，只需一個小時就超越先鋒10號兩年多來所走的路。而其花費更只有先鋒10號的萬分之一。目前這個訊息已經穿梭過數十個以上的鄰近恆星。或許是科學家們深思熟慮後的決定，雖然在地球與M13之間便可能有文明的存在，但是訊息的內容並非是針對這些鄰近恆星而設計的。而如果在地球與M13之間或是球狀星團中真的有文明的存在，他們應該能接收到我們的訊息，並且遲早都會回函予我們。在等待的期間，我們不用去對宇宙中到底有多少這種“哈囉！有人在家嗎？”的訊息去傷腦筋。而當來自外星世界的1679個位元的訊息被刊登在報紙上時，我們會將它當作是一個字謎遊戲呢？還是壓根兒就不屑一顧？
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結語
在認定光子訊號為星際文明間最佳的通訊工具後，我們仍然先得解決一些重要的問題，才能與我們的鄰居通訊。第一，要決定訊息的最佳頻率。選擇無線電波是因為它不像其他的光子頻率有傳送上的困難，而且成本又較可見光來的低。而1420百萬赫茲應該是無線電頻率中最適宜的。因為它是氫原子的放射頻率，既然身為宇宙中最重要的頻率，所以該當是家喻戶曉的才對。許多的科學家也因此認為星際通訊的頻率應當在1420百萬赫茲附近（或是此基本頻率的偶數倍或分數）。如果水分子對其他的文明也是一樣不可或缺的話，由1420到1721百萬赫茲之間的“水洞”頻率便又是另一個極佳的選擇。
接著，則是對頻寬的考量。它關係著文明搜尋的效率。同時我們也要決定頻率搜尋的範圍—並且希望外星文明的訊息頻率就落在這個範圍之中。
假設其他文明有著與我們相似的判斷力和知識，那麼以最佳的頻寬和頻率對篩選過的鄰近恆星做搜尋工作，相信成功的比率應當是蠻高的。當然，在這個方法之下，我們也有相當（甚至更高）的機會搜尋到整個銀河系中稀有但極端先進的文明。在仍有反對聲浪下，我們審慎地發出訊息，向宇宙昭告人類的存在。具有智慧的外星文明都有這個能力將這個訊息重組成概略的圖示。這個圖示囊括了人類文明的基礎化學、方位、人口總數、以及人類外觀的形狀大小。
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即便是外星文明不對外發出星際訊息，他們區域性的傳訊也會無可避免地逸漏到太空中，而我們也是如此。對這種微弱訊號的偵測的確是比較困難，但以我們現今建造天線及接收系統的水準，這應當不成問題。雖然可能無法解析竊聽偵測到的訊號內容，但是這個訊號本身的存在，也就是外星文明存在的事實，便足以震撼並改變人類的宇宙觀。
問題
1.
德瑞克方程中的哪些因子特別指出銀河系中應當存有外星文明的星際通訊網路？又有哪些因子是持相反意見的？以現今地球的文明程度，要解答這個問題的困難在哪裡？
2.
哪些恆星的行星系最可能有外星文明的存在？為什麼？
3.
為什麼天文學家認為無線電波是星際通訊的最佳工具？
4.
電波天文學家如何定義“水洞”？為何有些天文學家認為水洞應含有星際通訊的訊號？
5.
為什麼用來竊聽訊號以發現外星文明所需的接收系統，其靈敏度要比星際通訊所使用的高出許多？
6.
如何分辨使用無線電波的外星文明以及如脈衝星這類自然發射電波的星體？這樣的一個搜尋策略合理嗎？理由何在？
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7.
NASA以巡天觀測和定點搜尋兩種方法尋找外星文明的訊號，而其中的定點搜尋更是集中於類似太陽的鄰近恆星上。為什麼NASA要同時使用兩種方法呢？
8.
光波和無線電波的速度是每秒300,000公里。根據這個數據，1974年由阿里西柏發射的電波訊號需要多久的時間，它的行程才能趕上以每秒10公里巡航兩年的先鋒號太空船？相較之下，利用太空船和無線電波來傳遞訊息，何者較佔優勢？
9.
如果我們確定接收到來自外星文明的訊息，對其中包含的2117個位元“開”、“關”的脈衝訊號，我們該如何著手解碼？而解碼的方法是否不只一種？
進階參考資料
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圖：報章慫動的標題下刊登著典型的幽浮故事，繪聲繪影地把外星飛行物體描寫成一個既存的事實。與第10頁？？？的圖1.5比較，你會採信那一個故事？對這種報導，你的基本態度為何？
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