外星文明文明方程式

　　茫茫宇宙中，地球上的人类建立的文明是微不足道的。因为地球文明是如此短暂，人类开始创造文明才不过几万年，发展科学技术不过几百年，探索航天技术不过几十年，这和地球年龄的45亿年、银河系年龄136亿相比，何异于沧海一粟。

　　1964年，1964年天体物理学家卡达谢夫提出了卡达谢夫标度，作为衡量一个文明的技术水平的方法。该标度只是理论性的，而且它衡量的对象，也即高度进化的文明，也只处于人类的推测之中，并不曾有人亲见亲历，但是这个标度的意义在于，它从宇宙的角度来考量整个文明的能源消耗量：

　　·I型文明：能够调集与地球整个输出功率（当时他的估计，地球的功率输出约为10的15次方瓦～16次方瓦）相当的能量用于通讯。现在我们能够在一天之内环绕我们的地球，了解到地球上发生的事件，并且还可以离开地球到月亮上做闪电式访问。

　　·II型文明：能够把相当于一颗典型恒星的输出功率（10的26次方瓦）用于通讯。

　　·III型文明：用于通讯的功率达10的36次方瓦，约等于整个典型星系的功率输出。

　　截止到2011年，目前的地球文明只能大致定为0.72型——连I型都未达到。不过考虑到1900年的时候我们还是0.58型的文明，未来一两百年，人类进入一型文明是可以指望的。

　　另外美国天文学家卡尔·萨根建议，可以将三型文明按能量尺度分为10个次型，即以10的16次方瓦为1.0型，10的17次方瓦为1.1型，10的18次方瓦为1.2型，等等。这三种文明类型并非不可超越，但由于它们有质的区别，可以想象这种过程将是非常漫长而困难的。

　　卡达谢夫

　　Nikolai Semenovich Kardashev

　　尼古拉·谢苗诺维奇·卡达谢夫（НиколайСемёновичКардашёв）1932年4月25日出生于莫斯科，是俄罗斯（前苏联）的天体物理学家，是俄罗斯空间研究院宇宙研究所副所长，俄罗斯科学院院士。

　　卡达谢夫1955年毕业于莫斯科国立大学，后在伯格天文研究所的师从史克劳夫斯基，在1962年获得博士学位。

　　卡达谢夫1976成为苏联科学院普通物理和天文学部副院士，1994年成为俄罗斯科学院院士。

　　1963年卡达谢夫开始研究类星体CTA-102等，并第一个提出为外星智能（搜寻地外文明）分类的建议。在这项工作中，他提出了一些想法，也许可以重新认识数百万或数十亿个地球外甚至银河外文明，他创建了卡达谢夫宇宙文明分类法，以及文明的类型。在搜寻地外文明方面，俄罗斯早于美国就提出一些类似的方案。在苏联的其他著名专家还有弗塞沃洛德和史克劳夫斯基（卡达谢夫的导师）。

　　文明方程式

　　方程式

　　在银河系中，存在着多少个具有文明的星球呢？1960年，加利福尼亚大学的天文学家弗兰克·德雷克提出寻找外星文明可能的方法，是这样的一个公式：N=R*×Fp×Ne×Fl×Fi×Fc×L

　　这个公式看起来有点庞杂，它以一连串可能性的乘积来计算我们银河系中可能存在多少个文明社会（N）。

　　具体介绍

　　R*代表我们银河系内一年之间新诞生的恒星数。宇宙空间是由超新星爆发飞散的碎（平均每30年发生一次）和形成宇宙的大爆炸的副产品——氢气构成。渐渐地，受重力和新的超新星爆发冲击力的影响，这些物质集中于一个地方，慢慢聚积，最后变成一个恒星。这个过程不断重复。

　　Fp指这样形成的新恒星，平均拥有多少行星的数值。恒星当中，有称为二重星、三重星的，拥有两三个一样大小的太阳，互相交替包围。有人认为这种情况下无法形成行星。但是在我们太阳系里，不是有木星和土星这样的巨大行星吗？这可以视为三重星，同时二重星、三重星有可能有行星。但是，恒星通常有几颗行星，这一点无法确定。

　　Ne表示在这些行星中，具备有生命发生、进化条件的几率。要使生命产生，就必须有很多液态水。但是，如果行星离恒星太远，水就会冻结成冰；太近则会变成水蒸气。为了使生命进化，又必须拥有岩古构成的陆地。如果行星体积过大，就无法拥有这些条件。此外，还要有大气，小行星有可能因重力不足而飘走，失去大气层。而且，自转周期太长的话，不仅昼夜温差太大，强风的不断吹袭，也使生命很难产生。

　　Fl表示在满足这些条件的行星中，实际上有生命存在、进化演变的比例。进化必须具有DNA，这是极其复杂、巨大的化合物所产生的遗传方法，这个形成的可能性微乎其微。

　　Fi表示形成生命进化到智慧的几率。细菌、树木、草是无法进化成具有智能的生物。它们没有脑神经系统，也没有成长到一定大小所必备的脊椎。拥有神经系统和脊椎的最原始的动物是鱼。而鱼如果总是待在水里，一定无法进化成智慧生物。首先鱼要变成有四只脚，可以在陆地上走路，然后爬树，再学会用手指抓取东西，还要进化到直立行走。这样，脚和手分工，再经过一段漫长的时间，就拥有充足的智慧了。但是，过程并不一定这样顺利。有生物存在的行星相当多，但如果只有细菌、植物、贝类这些生物，那么就难产生智慧生物。

　　Fc表示，智慧生物能够与外界进行联系的比例。现在地球主要以电波为星际间通讯方式，但在南美亚马逊流域深处，在新几内亚的深山里，有着未开化的原始人。他们不知道农耕和畜牧，制作铁器等金属用品的技术也很缺乏，只能使用简单的弓箭和棍棒进行狩猎。他们并非是最近才从猿人进化到人类的，他们和我们一样，是几十万年以前就进化了的。要有先进的科学技术，也要具备一定的条件，足以容纳无数次变革和经验积累。因此，拥有智慧生命的星球，未必都能达到高度文明，也就未必都能与外界联系，从而使我们感知到他们的存在。

　　L代表的是文明的平均寿命。地球文明还不算高度发达，却已经面临核子战争和公害等问题的威胁。文明程度越高，遭受毁灭性打击的可能性越大，因为推动它进步和摧毁它的力量都很大，一个意外事件就可能使文明寿终正寝。假如所有的发达文明的寿命都很短，那么如果其他星球上有发达文明，现在早就可能有灭亡了。

　　计算方法

　　我们无法推算L和Fc，因此对于N的数值，科学家们有着不同意见。卡尔·萨根计算出，在银河系中，每100万个恒星里，就有一个高度发达的外星文明存在，而且他最多推算到每10万个恒星就有一个文明星球。所以萨根认为，在特华塞奇和杰特雷特居礼Ⅰ、Ⅱ这样距离很近的恒星上，有可能存在生命。

　　德雷克根据这一公式预言有4000个有交流能力的文明社会。阿西莫夫在《外星文明》一书中算出了53万个。

　　提出异议

　　也有人对这个外星文明方程式提出疑义，从而否认银河系内除地球外还有发达文明。如前苏联的修克罗斯基，他认为其他星球拥有核武器，会因核战争而灭亡，因此发达文明的寿命非常短，银河系除地球外可能没有其他文明。

　　另一种意见是认为方程式预测值太多，不可靠。如美国天文学家麦凯尔·哈特，他认为假如银河系以内还有发达文明存在，那么它早就把银河系等殖民化了，不可能我们至今仍未发现它。这表明，银河系内除地球外没有其他文明，而银河系外可能有。

　　探索原因

　　综述

　　对外星文明的探索于人类来说，首先是满足一种好奇，对于未知的事物，人类总是在想方设法揭开他外表神秘的面纱。但人类相对于浩瀚宇宙显得如此的渺小，以至于直到如今我们竟然连自己来源何方都没能够搞清楚。对外星文明的探索某种程度上其实就是对人类文明本身探索的过程。

　　理由介绍

　　前生命的化学进化很可能不仅仅局限于地球上，理由包括：

　　1．从地壳形成到最早的细胞生命出现之间的时距相对来说太短了；

　　2．天体化学的研究表明宇宙空间内的星际物质以及其他天体中含有大量的有机分子；

　　3．有证据表明地球以外的有机分子曾经通过某些途径到达地球的表面。

　　如果地球生命的诞生本就与外星脱不了干系，那么对外星生命的探索其实就是对自身起源的探索了。

　　提供便利

　　除了满足好奇心以外，探索外星文明还将对人类的发展提供许多便利：

　　1．如果可以发现了更加先进的文明，那么显然可以为人类文明发展提供一个良好的借鉴模式，也许发展进程会少走很多弯路；

　　2．人口的飞速增长，已经使地球越来越难以支持庞大的能源消耗，生态环境等问题已经在某种程度上影响了人们的健康生活。也许真的有一天，地球无法适合居住，像火星（或者更远却更好的星球？）移民同样将得益于外星文明的协助。

　　可能性

　　综述

　　虽然我们推测在宇宙中、在银河系中存在着许许多多的外星文明，但是他们为什么不与人类建立直接联系，而让人类做着可能是无益的努力呢？我们能找到这些宇宙兄弟呢？也许他们也在寻找我们，但是由于同样的原因被阻挡在远方。这些原因可能是：

　　距离遥远

　　庞大的宇宙空间使相互联系异常困难。据推测，在银河系中，最大的可能结果是500个恒星产生一个外星文明，这样，我们只有找到501个恒星才有可能找到外得文明，根据恒星密度，500个恒星所占空间半径为35光年，这意味着最近的外星文明可能在35光年以外，我们向那儿发一个信号，最快也在要70年后才能收到回音。

　　频谱隔离

　　我们使用电磁波和外星联系，但是由于电磁频谱极宽，我们也不知道他们使用何种频谱。

　　文明发展度

　　由于存在着不同类型的文明，假如对方是高度发达的文明社会，达到Ⅱ、Ⅲ型文明，那么他们就可能对我们不屑一顾，避而不见。如果对方的文明程度比我们低，他们也无法和我们相互联络。

　　其他生命形式

　　我们考虑的都是与地球文明相似的文明，但如果有其他生命形式呢，比如硅人，比如科幻小说中的蜘蛛人、小绿人，它们就无法和我们交流。并且假如它们是采用我们所未知的形式存在的话，我们也只好永远对它们保持未知。

　　探索进程

　　综述

　　在距今不太远的古代，由于科学技术不发达，当人们在茫茫大海中航行时，为了保存和传递信息，往往把写有信息的纸条放在瓶子里，然后封紧，扔进大海。这些瓶子可能随着洋流被冲到岸边，从而被人发现，进而获知传递信息者的状况。但这种“漂流瓶”的方法极不可靠，因为它有可能并不漂到岸边，而是在大海中继续“流浪”。这样，几百年、几千年、甚至上万年后，传递者的信息也就石沉大海，再也无人知晓。

　　就像古人在茫茫大海中旅行一样，现代人在茫茫宇宙中的“旅行”也只好采用一种“现代漂流瓶”的方法进行联络。这种方法就是在寻找外星文明时，使用一些可能与外星文明共通的东西（主要是电波和数字）作为信息的载体；进而通过这些宇宙语言，来和外星人交流。

　　使用无线电

　　无线电是与外星文明打交道的一种合理方式。因为采用电波的技术水平是具有文明的社会都有可能达到的。它的速度和光一样快，而我们目前最快的宇宙飞船速度只能达到光速的几千分之一。离我们最近的恒星有4.2光年远，假如我们要到那儿，即使坐上最快的飞船，也要飞2.5万年；而大多数恒星比这还要远。同时，以目前的科技水平，我们无法乘坐宇宙飞船和外星文明交流。

　　人们最早想办法和外星文明联系

　　事实上，早在19世纪，人们就在想办法和外星文明取得联系。在20世纪的四分之一的时间内，我们已在不停地用电波轰击太空，现在电波在所有方向上已经传播了70光年，覆盖了数千个恒星系统。我们可以设想，某个星球上的智慧生命，可能现在已经打开收音机，正在收听地球上的一些流行歌曲。

　　科学家们主要利用电波做两件事

　　一是监听外星文明发出的信号，二是向外星文明发送无线电信号。

　　美国聆听恒星无线电信号计划

　　1960年和1972年，美国实施了聆听邻近两颗恒星无线电信号的“奥兹玛”计划，1974年向武仙座拍发了一份简短电报。

　　外星文明接收信号

　　怎样才能使外星文明接收到我们的信号呢？我们知道，电波信号传得越远越微弱，再加上其他辐射、杂音的干扰，外星文明收到信号的可能性很小。科学家发现：为了使宇宙中的外星文明接收到我们的电波信号，必须建立一个发射台，其发射功率与一颗中等恒星的辐射功率相当。如果用21厘米波发射只有智能生物才能接收的单频信号，不仅需要功率惊人的发射机，还要配备一组庞大的球形天线系统。如果发射功率为10的26次方瓦，作用距离要求达到3万光年，其球形半径应达到0.1天文单位（约1500万千米）。尽管地球大气层对21厘米波的吸收率只有1%，但这个系统消逸在大气层中的能量高达10的24次方瓦，是地球吸收太阳能量的百万倍。因此，一旦这座无线电发射机启用，人类末日也就降临了。

　　因此，如果必须有这样一座发射台，我们也只能把它建立在宇宙空间。但是，在宇宙空间建造其代价不菲。比如说，我们要在离地球100个天文单位的地方建一座功率为200千瓦、球形天线半径为5000千米，作用距离为1万光年的无线电发射台，采用平均密度为100千克/(米∧3)的材料，则球形天线的全部质量为5×(10∧19)吨，约是地球质量的五百分之一。如使用千分之一光速的核动力飞船运送这些金属材料，在飞行中将释放的能量，一般应限制在恒星辐射能量的0.1%范围内。在太阳系中，是3×(10∧23)瓦。用满足这个条件的飞船运送天线材料，至少需300万年。再加上挖掘材料、原料、燃料，运送劳动者、食品，需3000万年。此外，当发射台完工后，每年要消耗1亿吨核燃料，并且我们建立与发射台保持联系的线路所需功率大大超过发射台的功率。这太过分了！人类还不具备这样的能力。就是能够进行的话，也将是得不偿失的。

　　接收外星信号

　　如果采取接收外星文明信号的方法，造价要低廉得多，并且可行性要大一些。这样我们就必须建立多路窄频全向接收天线系统，以接收外星来的信号。但是外星文明发出的信号，即使是在很近的行星系统里，由于各种干扰，我们也很难收到。

　　假定在通讯的时候，对方发出极强的电波，地球这边的设备也能够收到。那么首先地球上的射电望远镜就必须对准银河系中上千亿个星球，而对方由于并不知道地球，也必须向上千亿个星球发射信号，这样，两者相遇的机会太少了。即使相遇，我们收到了外星文明的信号，那又当如何？由于宇宙空间异常遥远，离地球数万光年。在这期间，地球文明和对话的外星文明还是否存在，恐怕难以知道。

　　即使收到外星文明的信号，我们能否分辨和识别，也是一个问题。1899年，电气技术者尼可拉泰斯拉，用刚发明没有多久的无线电接收到奇怪的电波记号；后来，在美国和欧洲间的无线通讯才刚开始，一位无线电爱好者，收到比自己使用的周波数还低很多的记号，当时被认为是火星发送的电波；但是，这些电波记号到底从哪儿来的，没有人能够知道。到一个世纪后的今天，虽然天文学家们每天接受到无数的电波，但由于这些电波可能来自地球本身，也可能是来自地球发射的探测器、卫星，因此很难分辨。

　　看来，“樱桃好吃树难栽”。虽然采用无线电波的方式是最合适的方法，但实施起来无疑是困难重重。尽管如此，科学家们丝毫没有放弃用电波与外星文明取得交流的努力。1982年夏天，IAL（国际天文联盟）曾开展地球外生物大搜索，1992年10月，美国在波多黎各和加利福尼亚启动了两个强有力的射电望远镜，叫做“微波探索计划”。

　　以往科学家喜欢用1420兆赫到1720兆赫的微波进行接收，这一区域叫水洞，被认为是外星人最可能用的发射频率。为什么呢？因为一个水分子（H2O）由一个氢原子和一个氢氧根（OH）组成，当氢原子在空中相撞时，辐射出来的能量频率为1420兆赫，当氢氧根（OH）在空间相撞时，辐射的能量频率为1720兆赫，因此称为水洞。

　　由于氢是宇宙中最基本的元素，智慧生命可能采用这种方式发射电波；并且水洞还是波谱中一段比较安静的区域。氢原子的辐射很微弱，而在其他一些波段里则有很多强辐射，这样就会干扰可能会有的智慧生命的信号。1960年的奥兹玛计划就因干扰太大而毫无结果。

　　微波探索计划则不同。它可以同时接收1000多万个频道，它在30秒钟中得到的资料比过去30年还多。它目前有两个计划：一是目标搜索，在10年内采用水洞内的频率搜索类似太阳的1000颗恒星，或距地75光年内的所有恒星；二是太空环视，在10年以1000兆赫至10000兆赫的波段搜寻每个地方。这一计划实施的当日是纪念哥伦布发现新大陆500周年纪念日，表明了地球上的科学家寻找外星文明的信念。