旅行者號(hào)上的唱片說(shuō)明書(shū)，外星人看得懂嗎？

作者：梅林（中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所）

文章來(lái)源于科學(xué)大院公眾號(hào)（ID：kexuedayuan）

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“宇宙，最后的邊疆。這是星艦進(jìn)取號(hào)的航程。它繼續(xù)的任務(wù)，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(lǐng)域?！?/p>

這段出自電影《星際迷航》臺(tái)詞，用在旅行者兩兄弟身上非常恰當(dāng)。對(duì)于旅行者1號(hào)和2號(hào)來(lái)說(shuō)，離開(kāi)太陽(yáng)系，只是他們通往無(wú)垠宇宙的旅程的開(kāi)始。

大部分人都不喜歡孤獨(dú)。而作為一個(gè)整體，人類也是討厭孤獨(dú)的。人類到底是不是宇宙中唯一的智慧生物？如果是，那么到底是什么決定了我們?nèi)绱颂厥?？如果不是，那么其他的文明又在哪里?/p>

為了尋找同類，人們?cè)诼眯姓呱戏胖昧艘粋€(gè)時(shí)間囊。里面有用許多種語(yǔ)言錄制的的問(wèn)候（包含普通話、粵語(yǔ)、吳語(yǔ)和閩南語(yǔ)在內(nèi)）、各種音樂(lè)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(huì)景象照片。這些信息被寫在一張帶探針的金唱片上。那么問(wèn)題來(lái)了，假設(shè)有一天這張唱片被外星人捕獲，那么他們?cè)趺床拍苷_播放這張唱片，而不是當(dāng)成亂碼呢？

為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們精心設(shè)計(jì)了一份隨盤附贈(zèng)的使用說(shuō)明書(shū)。不過(guò)，這份說(shuō)明書(shū)到底說(shuō)了些什么？我們看不懂沒(méi)關(guān)系，要是外星人也看不懂咋辦？……今天，就為大家解讀一下這份說(shuō)明書(shū)上到底說(shuō)了啥。

旅行者號(hào)的唱片說(shuō)明書(shū)。（圖片來(lái)源：https://en.wikipedia.org/wiki/Voyager_Golden_Record）

交流的基礎(chǔ)：共知的信息

任何兩個(gè)文明的第一次接觸，都會(huì)遇到差不多的問(wèn)題——如果兩個(gè)人完全不懂對(duì)方的語(yǔ)言，那么如何交流信息呢？這個(gè)問(wèn)題的答案說(shuō)白了就是“一個(gè)比劃一個(gè)猜”。

我們假設(shè)來(lái)自中國(guó)的王大爺和來(lái)自英國(guó)的約翰第一次見(jiàn)面。此時(shí)，王大爺拿著一個(gè)蘋果，說(shuō)：“蘋果”，于是約翰在紙上記下“apple=ping goh”，然后他指著蘋果說(shuō)“apple”，王大爺就在自己的紙上寫“蘋果=艾跑”。約翰切開(kāi)蘋果，同時(shí)說(shuō)“cut”，那么王大爺就會(huì)記下“切=卡特”，然后他切蘋果，說(shuō)“切”，此時(shí)約翰就會(huì)寫下“cut=chea”。

那么這樣來(lái)回幾次，雙方就會(huì)向彼此傳遞很多詞匯了。由于語(yǔ)言必須描述信息，所以通過(guò)對(duì)共同信息的描述，可以讓語(yǔ)言不通的兩個(gè)文明進(jìn)行交流。

那么，人類和外星人之間，有什么共同信息可以作為交流的基礎(chǔ)呢？

我們無(wú)法想象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(zhì)，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，并且用氫氟酸洗澡；人類看得到七彩斑斕，外星人說(shuō)不定能看到微波爐里的微波和胸透時(shí)的X射線。因此，找到可以交流的共同點(diǎn)其實(shí)不容易。

既然同處一個(gè)宇宙，那么不如就從宇宙中最普遍的物質(zhì)上找點(diǎn)共同話題吧。在宇宙中，最多的物質(zhì)就是氫原子了。氫是一種最簡(jiǎn)單的元素，絕大部分的氫原子是由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子組成的。如果一個(gè)文明能捕獲旅行者，至少說(shuō)明他們有發(fā)達(dá)的天文學(xué)和航空器。他們對(duì)氫原子的理解也應(yīng)該相當(dāng)深入。所以，科學(xué)家決定把氫原子當(dāng)作王大爺手里的“蘋果”。

這就是圖片右下角部分所描述的信息。

說(shuō)明書(shū)右下角局部：1s氫原子自旋躍遷示意圖。（圖片來(lái)源同上圖）

圖中，中間的火柴棍表示的氫原子中的質(zhì)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(guān)系具象地理解成地球（電子）圍繞太陽(yáng)（質(zhì)子）旋轉(zhuǎn)，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(jìn)行的簡(jiǎn)化，并非實(shí)際的情況。

地球和太陽(yáng)分別有各自的自轉(zhuǎn)，而在氫原子中，電子和質(zhì)子也有一個(gè)類似的性質(zhì)，術(shù)語(yǔ)叫做自旋（還是要注意，它們并非真的在轉(zhuǎn)，這只是一種為了方便思考所做的的簡(jiǎn)化）。既然是旋轉(zhuǎn)，那么就會(huì)有兩種可能的方向：順時(shí)針和逆時(shí)針。那么對(duì)于氫原子的電子和質(zhì)子來(lái)說(shuō)，它們的自旋方向會(huì)有兩種可能：一種是它們同向自旋，還有就是它們反向。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這兩種可能性之間有能量上的差異：同向時(shí)的能量要比反向時(shí)的能量稍微高出一丁點(diǎn)。所以，如果氫原子里的質(zhì)子和電子的自旋方向從同向變成反向，那么這一丁點(diǎn)的能量就會(huì)被釋放出來(lái)。根據(jù)愛(ài)因斯坦的理論，這部分能量會(huì)以一份電磁波的形式被釋放，并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(shuō)明書(shū)右下角的這幅圖，描繪的就是這個(gè)自旋方向反轉(zhuǎn)的過(guò)程（上方火柴棍從頭朝上變成了頭朝下）。也就是說(shuō)，說(shuō)明書(shū)的其他部分，是基于這些基本信息的。如果外星文明想要讀明白這份說(shuō)明書(shū)，那么他們必須知道氫原子的這個(gè)性質(zhì)，并且已經(jīng)算出這個(gè)周期。否則這份說(shuō)明書(shū)也就不可能看懂了。當(dāng)然，能捕獲旅行者號(hào)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(lái)把一百億分之七秒稱為“圖例時(shí)長(zhǎng)”。

唱片如何旋轉(zhuǎn)？

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

有了基礎(chǔ)的信息，下面我們可以來(lái)解讀說(shuō)明書(shū)的剩余部分了。左上角是一個(gè)唱片的俯視圖，并且描繪了一個(gè)帶唱針的針匣，意思是說(shuō)讓拿到這個(gè)唱片的人從外向里播放。

裝好之后還要維持一個(gè)恰當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速才可以，轉(zhuǎn)速就是這個(gè)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(jìn)制1，平行于圓邊的線段表示二進(jìn)制0。從針匣上方開(kāi)始數(shù)起，這一串線段就表示了二進(jìn)制的100110000110010000000000000000000，也就是十進(jìn)制的5113380864。這個(gè)數(shù)字乘以上文我們說(shuō)到的“圖例時(shí)長(zhǎng)”，就得到3.6秒。表明這個(gè)唱片的播放轉(zhuǎn)速應(yīng)該是每周3.6秒。為什么用二進(jìn)制描述呢？因?yàn)槎M(jìn)制很容易描述，只要有倆符號(hào)表示有和沒(méi)有就可以。我們因?yàn)槭鞘种杆赃x擇了十進(jìn)制，但我們不知道外星人究竟幾根手指頭，萬(wàn)一他們是三根、七根或者兩百根怎么辦？所以還是二進(jìn)制穩(wěn)妥些。

左中部分是一個(gè)唱片播放的正視圖。（圖片來(lái)源同上）

接下來(lái)是唱片的正視圖，下面仍然用二進(jìn)制寫了一串?dāng)?shù)字。這個(gè)數(shù)字描述的是這張唱片的播放時(shí)長(zhǎng)。有沒(méi)有哪位讀者閑來(lái)無(wú)事算一下這張唱片能播多久呢？

畫(huà)面如何播放？

如果說(shuō)上面的音頻播放部分已經(jīng)讓外星人困惑，那么關(guān)于圖片播放的教程就更加費(fèi)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(hào)的唱片中，圖片被分解為一個(gè)個(gè)的像素，每個(gè)像素4個(gè)比特（也就是說(shuō)，可以呈現(xiàn)2?也就是16種不同的灰度），分辨率為512*512，也就是說(shuō)分解成了512列，每一列有512個(gè)像素點(diǎn)。把圖片沿列剪開(kāi)，剪成512個(gè)小長(zhǎng)條，然后把這些長(zhǎng)條按順序首尾相接，拼成一個(gè)很長(zhǎng)的大長(zhǎng)條，人們就是通過(guò)把這個(gè)長(zhǎng)條寫入光盤的方式來(lái)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(lái)源：同上）

在視頻部分，說(shuō)明書(shū)中首先對(duì)圖像的編碼方式進(jìn)行了介紹，描述了大長(zhǎng)條和小長(zhǎng)條結(jié)構(gòu)?？梢钥闯觯粋€(gè)信號(hào)有很多個(gè)不規(guī)則的部分串在一起，每個(gè)不規(guī)則的部分就是一個(gè)小長(zhǎng)條。在圖中，科學(xué)家列舉了其中的前三個(gè)小長(zhǎng)條，分別標(biāo)注為二進(jìn)制的1，10和11，也就是十進(jìn)制的1，2和3。在第一個(gè)小長(zhǎng)條下面的二進(jìn)制數(shù)字，描述了讀取這一個(gè)小長(zhǎng)條所需要的時(shí)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：讀取并輸出第一個(gè)小長(zhǎng)條——換行——讀取并輸出第二個(gè)小長(zhǎng)條——換行——讀取并輸出第三個(gè)小長(zhǎng)條……

圖像的輸出形式（圖片來(lái)源：同上）

接下來(lái)，還有一幅描述了上述“輸出——換行”工作方法的示意圖?？梢钥闯?，有很多個(gè)小長(zhǎng)條，把這些小長(zhǎng)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(jī)的成像原理類似，只不過(guò)老式電視機(jī)是一行一行地拼，而這里是一列一列地拼。左邊的二進(jìn)制數(shù)字10000代表了每一小長(zhǎng)條有16種不同的灰度。右邊的二進(jìn)制數(shù)字1000000000表示每幅圖案有512個(gè)小長(zhǎng)條。這個(gè)兩數(shù)字的朝向是不同的，是想要強(qiáng)調(diào)1000000000表示列數(shù)。

驗(yàn)證圖（圖片來(lái)源同上）

解釋到現(xiàn)在，不知道各位讀者是不是明白了，這個(gè)說(shuō)明書(shū)確實(shí)晦澀難懂。人們也知道自己這事辦得不地道，因此畫(huà)了一個(gè)用來(lái)驗(yàn)證的圖案。也就是說(shuō)，如果外星DJ打碟的方式正確，那么他能看到的第一張圖片就是這樣一個(gè)圓圈（潛臺(tái)詞就是我也不管你怎么折騰，反正看見(jiàn)這個(gè)圈圈就算你贏了）。

唱片出品地址：太陽(yáng)系

在唱片左下角，還可以看到像是爆炸一樣的圖案。這個(gè)圖案記載的是這張唱片的來(lái)源，也就是太陽(yáng)系的具體位置。每一條線的末端，都是一顆脈沖星。脈沖星究竟是什么暫且不提，現(xiàn)在我們只需要知道，它們都是一些自轉(zhuǎn)非常迅速而且自轉(zhuǎn)周期很穩(wěn)定的星體。而太陽(yáng)就在這幅圖的中央處。

利用脈沖星定位太陽(yáng)位置的示意圖（圖片來(lái)源同上）

這些脈沖星相當(dāng)于是地標(biāo)，只要外星文明能夠找到其中三個(gè)，就能夠準(zhǔn)確定義太陽(yáng)的位置。那么這些脈沖星是如何區(qū)分的呢？我們可以看到，每個(gè)脈沖星后面標(biāo)注了一個(gè)用二進(jìn)制寫成的數(shù)字，這個(gè)數(shù)字乘以“圖例時(shí)長(zhǎng)”，就可以得到這個(gè)脈沖星的自轉(zhuǎn)周期了。外星文明就可以通過(guò)這個(gè)方法來(lái)判斷自己找到的脈沖星是否是圖中的某顆。另外，旅行者號(hào)上還裝有一瓶超高純度的濃縮鈾，外星人通過(guò)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(gè)時(shí)間，外星人就可以對(duì)脈沖星的周期進(jìn)行矯正，從而避免脈沖星周期隨時(shí)間變化而造成誤判。

結(jié)語(yǔ)

理論上來(lái)說(shuō)，可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)里，旅行者號(hào)被外星生命捕獲的概率基本為零，畢竟它們飛到離太陽(yáng)最近的恒星也要四萬(wàn)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(shuō)中的設(shè)定，“不知道其他文明的意圖”，也并不能有邏輯地推出“我必須首先將其毀滅”這個(gè)結(jié)論。況且，毀滅對(duì)方勢(shì)必也要暴露自己，萬(wàn)一對(duì)方比自己強(qiáng)大，把自己反殺怎么辦？當(dāng)然，旅行者攜帶著人類信息去面對(duì)未知的外星人，充滿了無(wú)限的可能性，究竟會(huì)發(fā)生什么，我們也只能猜測(cè)。

旅行者號(hào)更像是一種人類記載自己的時(shí)間囊，人們通過(guò)這個(gè)儀式，希望自己能被其他的智慧生命所認(rèn)識(shí)，從而緩解自身的孤獨(dú)感，如同我們?cè)跁缫吧闲凶?，大聲呼喊，希望自己能被?tīng)見(jiàn)，從而找到同行者一樣。試想數(shù)十億年之后，連太陽(yáng)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(guò)證據(jù)的金心，人類或許短暫，而它卻將永恒。