旅行者号上的唱片说明书，外星人看得懂吗？

　　来源：科学大院微信公众号
　　“宇宙，最后的边疆。这是星舰进取号的航程。它继续的任务，是去探索未知的新世界，找寻新的生命和新的文明，勇敢地航向前人所未至的领域。”
　　这段出自电影《星际迷航》台词，用在旅行者两兄弟身上非常恰当。对于旅行者1号和2号来说，离开太阳系，只是他们通往无垠宇宙的旅程的开始。
　　大部分人都不喜欢孤独。而作为一个整体，人类也是讨厌孤独的。人类到底是不是宇宙中唯一的智慧生物？如果是，那么到底是什么决定了我们如此特殊？如果不是，那么其他的文明又在哪里？
　　为了寻找同类，人们在旅行者上放置了一个时间囊。里面有用许多种语言录制的的问候（包含普通话、粤语、吴语和闽南语在内）、各种音乐作品和地球上的自然界的声音（还有人类的脑电波），以及地球上的自然和社会景象照片。这些信息被写在一张带探针的金唱片上。那么问题来了，假设有一天这张唱片被外星人捕获，那么他们怎么才能正确播放这张唱片，而不是当成乱码呢？
　　为了解决这个问题，人们精心设计了一份随盘附赠的使用说明书。不过，这份说明书到底说了些什么？我们看不懂没关系，要是外星人也看不懂咋办？……今天，就为大家解读一下这份说明书上到底说了啥。

旅行者号的唱片说明书。（图片来源：https：//en.wikipedia.org/wiki/Voyager_Golden_Record）

　　交流的基础：共知的信息
　　任何两个文明的第一次接触，都会遇到差不多的问题——如果两个人完全不懂对方的语言，那么如何交流信息呢？这个问题的答案说白了就是“一个比划一个猜”。
　　我们假设来自中国的王大爷和来自英国的约翰第一次见面。此时，王大爷拿着一个苹果，说：“苹果”，于是约翰在纸上记下“apple=ping goh”，然后他指着苹果说“apple”，王大爷就在自己的纸上写“苹果=艾跑”。约翰切开苹果，同时说“cut”，那么王大爷就会记下“切=卡特”，然后他切苹果，说“切”，此时约翰就会写下“cut=chea”。
　　那么这样来回几次，双方就会向彼此传递很多词汇了。由于语言必须描述信息，所以通过对共同信息的描述，可以让语言不通的两个文明进行交流。
　　那么，人类和外星人之间，有什么共同信息可以作为交流的基础呢？
　　我们无法想象外星世界和我们到底有多少相似程度。人类要吃糖、脂肪、蛋白质，外星人可能只吃土；人类需要氧气和水才能存活，但是外星人可能呼吸的是氟气，并且用氢氟酸洗澡；人类看得到七彩斑斓，外星人说不定能看到微波炉里的微波和胸透时的X射线。因此，找到可以交流的共同点其实不容易。
　　既然同处一个宇宙，那么不如就从宇宙中最普遍的物质上找点共同话题吧。在宇宙中，最多的物质就是氢原子了。氢是一种最简单的元素，绝大部分的氢原子是由一个质子和一个电子组成的。如果一个文明能捕获旅行者，至少说明他们有发达的天文学和航空器。他们对氢原子的理解也应该相当深入。所以，科学家决定把氢原子当作王大爷手里的“苹果”。
　　这就是图片右下角部分所描述的信息。

说明书右下角局部：1s氢原子自旋跃迁示意图。（图片来源同上图）

　　图中，中间的火柴棍表示的氢原子中的质子，而它上方的火柴棍则表示氢原子中的电子。我们可以把这两者之间的关系具象地理解成地球（电子）围绕太阳（质子）旋转，这样想是可以的，但是要注意这种想法仅仅是为了方便思考而进行的简化，并非实际的情况。
　　地球和太阳分别有各自的自转，而在氢原子中，电子和质子也有一个类似的性质，术语叫做自旋（还是要注意，它们并非真的在转，这只是一种为了方便思考所做的的简化）。既然是旋转，那么就会有两种可能的方向：顺时针和逆时针。那么对于氢原子的电子和质子来说，它们的自旋方向会有两种可能：一种是它们同向自旋，还有就是它们反向。科学家发现，这两种可能性之间有能量上的差异：同向时的能量要比反向时的能量稍微高出一丁点。所以，如果氢原子里的质子和电子的自旋方向从同向变成反向，那么这一丁点的能量就会被释放出来。根据爱因斯坦的理论，这部分能量会以一份电磁波的形式被释放，并且我们能算出这份波的周期大概是一百亿分之七秒（0.000000007秒）。
　　说明书右下角的这幅图，描绘的就是这个自旋方向反转的过程（上方火柴棍从头朝上变成了头朝下）。也就是说，说明书的其他部分，是基于这些基本信息的。如果外星文明想要读明白这份说明书，那么他们必须知道氢原子的这个性质，并且已经算出这个周期。否则这份说明书也就不可能看懂了。当然，能捕获旅行者号的文明，基本也不可能不知道这些。为了行文方便，我们接下来把一百亿分之七秒称为“图例时长”。
　　唱片如何旋转？

左上角局部，是一个唱片的俯视图。右侧的图案是旅行者上携带的带唱针的针匣。（图片来源同上）

　　有了基础的信息，下面我们可以来解读说明书的剩余部分了。左上角是一个唱片的俯视图，并且描绘了一个带唱针的针匣，意思是说让拿到这个唱片的人从外向里播放。
　　装好之后还要维持一个恰当的转速才可以，转速就是这个图形周围那一圈横竖线段所含有的信息。竖着的线段表示二进制1，平行于圆边的线段表示二进制0。从针匣上方开始数起，这一串线段就表示了二进制的100110000110010000000000000000000，也就是十进制的5113380864。这个数字乘以上文我们说到的“图例时长”，就得到3.6秒。表明这个唱片的播放转速应该是每周3.6秒。为什么用二进制描述呢？因为二进制很容易描述，只要有俩符号表示有和没有就可以。我们因为是十根手指所以选择了十进制，但我们不知道外星人究竟几根手指头，万一他们是三根、七根或者两百根怎么办？所以还是二进制稳妥些。

左中部分是一个唱片播放的正视图。（图片来源同上）

　　接下来是唱片的正视图，下面仍然用二进制写了一串数字。这个数字描述的是这张唱片的播放时长。有没有哪位读者闲来无事算一下这张唱片能播多久呢？
　　画面如何播放？
　　如果说上面的音频播放部分已经让外星人困惑，那么关于图片播放的教程就更加费解了。但是只要稍微了解一下图片是如何编码到唱片上的，就可以更好地理解图上的含义了。
　　在旅行者号的唱片中，图片被分解为一个个的像素，每个像素4个比特（也就是说，可以呈现2⁴也就是16种不同的灰度），分辨率为512*512，也就是说分解成了512列，每一列有512个像素点。把图片沿列剪开，剪成512个小长条，然后把这些长条按顺序首尾相接，拼成一个很长的大长条，人们就是通过把这个长条写入光盘的方式来记录一副图像。

右上角描述了图像的编码方式和读取方法。（图片来源：同上）

　　在视频部分，说明书中首先对图像的编码方式进行了介绍，描述了大长条和小长条结构。可以看出，一个信号有很多个不规则的部分串在一起，每个不规则的部分就是一个小长条。在图中，科学家列举了其中的前三个小长条，分别标注为二进制的1，10和11，也就是十进制的1，2和3。在第一个小长条下面的二进制数字，描述了读取这一个小长条所需要的时间，大约是8毫秒。下面的折线描述了读取的方法，圈圈代表唱针，意思是：读取并输出第一个小长条——换行——读取并输出第二个小长条——换行——读取并输出第三个小长条……

图像的输出形式（图片来源：同上）

　　接下来，还有一幅描述了上述“输出——换行”工作方法的示意图。可以看出，有很多个小长条，把这些小长条一条一条地从左到右拼好，就成了一整副图像。这和老式电视机的成像原理类似，只不过老式电视机是一行一行地拼，而这里是一列一列地拼。左边的二进制数字10000代表了每一小长条有16种不同的灰度。右边的二进制数字1000000000表示每幅图案有512个小长条。这个两数字的朝向是不同的，是想要强调1000000000表示列数。

验证图（图片来源同上）

　　解释到现在，不知道各位读者是不是明白了，这个说明书确实晦涩难懂。人们也知道自己这事办得不地道，因此画了一个用来验证的图案。也就是说，如果外星DJ打碟的方式正确，那么他能看到的第一张图片就是这样一个圆圈（潜台词就是我也不管你怎么折腾，反正看见这个圈圈就算你赢了）。
　　唱片出品地址：太阳系
　　在唱片左下角，还可以看到像是爆炸一样的图案。这个图案记载的是这张唱片的来源，也就是太阳系的具体位置。每一条线的末端，都是一颗脉冲星。脉冲星究竟是什么暂且不提，现在我们只需要知道，它们都是一些自转非常迅速而且自转周期很稳定的星体。而太阳就在这幅图的中央处。

利用脉冲星定位太阳位置的示意图（图片来源同上）

　　这些脉冲星相当于是地标，只要外星文明能够找到其中三个，就能够准确定义太阳的位置。那么这些脉冲星是如何区分的呢？我们可以看到，每个脉冲星后面标注了一个用二进制写成的数字，这个数字乘以“图例时长”，就可以得到这个脉冲星的自转周期了。外星文明就可以通过这个方法来判断自己找到的脉冲星是否是图中的某颗。另外，旅行者号上还装有一瓶超高纯度的浓缩铀，外星人通过分析铀的裂变，可以得知这艘飞船在宇宙中飞行了多久。有了这个时间，外星人就可以对脉冲星的周期进行矫正，从而避免脉冲星周期随时间变化而造成误判。
　　结语
　　理论上来说，可预见的未来里，旅行者号被外星生命捕获的概率基本为零，毕竟它们飞到离太阳最近的恒星也要四万年。即便真的被捕获，也不意味着人类的末日。黑暗森林毕竟只是小说中的设定，“不知道其他文明的意图”，也并不能有逻辑地推出“我必须首先将其毁灭”这个结论。况且，毁灭对方势必也要暴露自己，万一对方比自己强大，把自己反杀怎么办？当然，旅行者携带着人类信息去面对未知的外星人，充满了无限的可能性，究竟会发生什么，我们也只能猜测。
　　旅行者号更像是一种人类记载自己的时间囊，人们通过这个仪式，希望自己能被其他的智慧生命所认识，从而缓解自身的孤独感，如同我们在旷野上行走，大声呼喊，希望自己能被听见，从而找到同行者一样。试想数十亿年之后，连太阳都熄火了，地球更是早已不存在了，但是在浩瀚宇宙里仍然有一颗记载着人类存在过证据的金心，人类或许短暂，而它却将永恒。
　　作者：梅林 中国科学院遗传与发育生物学研究所

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