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和外星人的第五类接触！《三体》中的微中子通讯是真的？

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Netflix 版“三体”终于上线了，你觉得与外星人接触是安全的，还是冒险的?

其实啊，人类早就多次尝试与外星文明接触，三体中的“那个”技术，甚至也已经验证成功了?到底谁能先与外星人取得联系?是中国还是美国?

接下来的讨论可能会暴雷原版小说的设定，但应该不会暴雷 Netflix 版的剧情。

如果你也有一点想跟外星人接触，那就来看看人类到底已经跟外星人搭讪到什么程度了吧!

我们与外星文明接触过了吗?

对于是否要与外星文明接触，每个人都有不同想法。三体小说作者刘慈欣在小说中提出一种观点，那就是人类太弱小，最好避免与外星文明接触，以免招致不必要的风险。

但是回到现实世界，如果我们真的身处在三体的世界的话，那人类可真的是不停作死啊。早在 1974 年，科学家就利用阿雷西博天文台，向武仙座的 M13 球状星团发射了一条著名的讯息，也就是“阿雷西博讯息”。这个目标距离地球不算远，星星又多，被认为是潜在的外星文明所在。阿雷西博讯息中，则包含人类的 DNA 结构、太阳与九大行星、人类的姿态等资讯。每次想到总觉得是新开的炸鸡排在发传单揽客。

航海家金唱片。图/wikimedia

除了无实体的电波讯息，人类还向太空中发送了实体的“信件”。1977 年，航海家探测器载着“航海家金唱片”进入太空。唱片中收录了包含台语在内，55 种语言的问候语、大自然与鸟兽的声音、115 张图像、还用 14 颗银河系内已知的脉冲星来标示出太阳系的位置。是一封向宇宙表达人类文明与友好意图的信件。恩，如果接收到这个讯息的外星人不是很友善的话，那么……。

好吧，就算现在说应该要谨慎考虑接触外星文明的风险，或许已经来不及了。对方是善还是恶，怎么定义善或恶，会不会突然对我们发动攻击，我们也只能听天由命了。

反过来说，过了这么久，我们收到外星文明的来信了吗?

要确定有没有外星文明，接收讯号当然跟发送讯号同等重要甚至更重要。1960 年，天文学家法兰克.德雷克，就曾通过奥兹玛计划，使用直径 26 米的电波望远镜，观察可能有外星文明的天苑四和天仓五两个恒星系统，标志着“寻找外星智慧计划”（the Search for Extraterrestrial Intelligence, SETI）的诞生。可惜，累积了超过 150 小时的讯息，都没有搜寻到可辨识的讯号。

比较近的则是 1995 年的凤凰计划，要研究来自太阳附近一千个恒星所发出的一千两百到三千百万赫的无线电波。由于有经费支持，SETI 每年可以花五百万美元，扫描一千多个恒星，但是目前还没有任何发现。

中间有一个小插曲是，1967 年 10 月，英国剑桥大学的研究生乔丝琳.贝尔发现无线电望远镜收到了一个非常规律的脉冲讯号，讯号周期约为 1.34 秒，每次脉冲持续时间 0.04 秒。因为有可能是来自外星文明的讯号，因此讯号被开玩笑地取为 Little Green Man 1（LGM-1 号）。但后来他们又发现了多个类似的脉冲信号，最后证实这些脉冲是来自高速自转的中子星，而非某个文明正在传递讯息。

贵州天眼望远镜。图/FAST

在中国也有探索外星生命的计划，大家最关注的贵州天眼望远镜，直径达五百米，是地球上最大的单一口径电波望远镜。天眼望远镜在探索外星生命这件事，并不只是传闻而已。2016 年 9 月天眼正式启用后，也宣布加入 SETI 计划。现在贵州天眼的六大任务之一，就包含探测星际通讯，希望能捕捉到来自其他星际文明的讯号。

而背负着地球最大单一口径望远镜的名号，自然也引起不少关注。从 2016 年启用到现在，就陆续出现不少检测到可疑讯号的新闻。然而，这些讯号还需要经过检验，确定不是其他来自地面或地球附近的干扰源，或是我们过去难以发现的辐射源。可以确定的是，目前官方还未正式声明找到外星文明讯号。

会不会是我们的通讯方法都选择错误了?

即使电磁波用光速传递讯息，太阳系的直径约 2 光年、银河系直径约 10 万光年。或许我们的讯息还需要花很多时间才回得来，更别提那些被抛入太空的实体信件。航海家 1 号曾是世界上移动速度最快的人造物，现在仍以大约时速 6 万公里的速度远离地球，大约只有光速的一万八千分之一倍。就算朝着最近的恒星——比邻星飞去，最少也需要大约 7 万 6 千年的时间才会到。

如果用电磁波传递讯息，又容易因为穿越星尘、行星、恒星等天体而被阻挡或吸收。不论是人类还是外星文明，都必须找到一个既快速，又不容易衰退的讯号，最好就是能以光速穿越任何障碍物的方式。

在三体小说中，就给出了一个关键方法：微中子通讯。

微中子通讯是什么?

微中子（Neutrino），中国通常翻译为中微子，是一种基本粒子。也就是说它是物质的最基本组成单位，无法被进一步分割。这种粒子引起了广泛关注，因为它与其他物质的交互作用极弱，并且以极高的速度运动。微中子能够轻易穿过大部分物质，通过时几乎不受阻碍，因此难以检测。

在宇宙中，微中子的数量仅次于光子，是宇宙中第二多的粒子。有多多呢?地球上面向太阳的方向，每平方厘米的面积，大约是你的手指指尖，每秒钟都会被大约 650 亿个来自太阳的微中子穿过，就是这么多。但是因为微中子与物质的反应真的是太弱了，例如在纯水中，它们平均需要向前走 250 光年，才会与水产生一次交互作用，以至于我们几乎不会发现它们的存在。

藉由微中子撞击气泡室中氢原子里的质子，进行微中子观测，照片右方三条轨迹的汇集之处便是带电粒子撞击发生处。图/wikimedia

但是对物理学家来说，更特别的是微中子展示出三种不同的“味”（flavor），也就是三种样貌，电子微中子，渺子微中子和涛微中子，分别对应到不同的物理特性。 在粒子物理学里，有个“标准模型”来描述强力、弱力及电磁力这三种基本力，以及所有基本粒子。在这个标准模型中，微中子是不具备质量的。 然而，当科学家发现微中子竟然有三种味，而且能透过微中子振荡，在三种“味”之间相互转换，证明了微中子必须具有质量，推翻了标准模型中预测微中子是无质量的假设，表示标准模型还不完备。

微中子在物理界是个非常有研究价值的对象，值得我们花上一整集来好好介绍，这边就先点到为止。如果你对微中子或其他基本粒子很感兴趣，欢迎在留言催促我们。

我们现在只要知道，微中子不仅推翻了标准模型。宇宙中含量第二多的粒子竟然有质量这件事情，更可能更新我们对宇宙的理解，以及增加对暗物质的了解。

但回到我们的问题，如果微中子几乎不与其他粒子交互作用，我们要怎么接收来自外星文明的微中子通讯呢?

要如何接收微中子?

Netflix 版《三体》预告片中，这个一闪而过，充满金色圆球，带有点宗教与科幻风格的大水缸，就是其中的关键。

这个小说中没有特别提到，但相信观众中也有人一眼就看出来。这就是位在日本岐阜县飞驒市，地表 1,000 米之下，由废弃矿坑改建而成的大型微中子探测器“神冈探测器”。

由废弃砷矿坑改建而成，深达千米的神冈探测器。图/Super-Kamiokande Construction

探测器的主要结构是一个高 41.4 米、直径 39.3 米的巨大圆柱形的容器。容器的内壁上安装有 11200 个光电倍增管，用于捕捉微小的讯号。水缸中则需灌满 5 万吨的超纯水。捕捉微中子的方式是等待微中子穿过整座探测器时，微中子和水中的氢原子和氧原子发生交互作用，产生淡蓝色的光芒。这与我们在核电系列中提到，核燃料池中会发出淡蓝色光芒的原理一样，是当粒子在水中超越介质光速时，产生类似音爆的“契忍可夫辐射”。

填水的神冈探测器。图/Super-Kamiokande

也就是说，科学家准备一个超大的水缸来与微中子产生反应，并且用超过一万个光电倍增管，来捕捉微小的契忍可夫辐射讯号。

但这样的设计十分值得，前面提到的微中子可以在三种“味”中互相转换，就是在这个水槽中被证实的。

这座“神冈探测器”在建成后 40 几年来，让日本孕育出了 5 位的诺贝尔物理奖得主。

三体影集选在这边拍摄，真的要说，选得好啊。

话说回来，有了微中子的捕捉方法之后，现实中还真的有人研究起了微中子通讯!

微中子通讯是怎么做到的?

来自罗彻斯特大学与北卡罗来纳州立大学的团队，在 2012 年发表了一篇文章，说明它们已成功使用微中子，以接近光速的速度将讯息穿过 1 公里的距离，其中有 240 米是坚硬的岩石。讯息的内容是“Neutrino”，也就是微中子。

这套设备准备起来也不简单，用来发射微中子的，是一部强大的粒子加速器 NuMI。质子在加速绕行一个周长 3.3 公里的轨道之后，与一个碳标靶相撞，发出高强度的微中子射束。

用磁场将微中子聚集成束的 NuMI。图/Fermilab

用来接收微中子的则是边长约 1.7 米，长 5 米的六角柱探测器 MINERvA，一样身处于地底 100 米的洞穴中。

当然，这两套设备的重点都是拿来研究微中子特性，而不是为了通讯设计的。团队只是趁着主要任务之间的空档，花了两小时验证通讯的可能性。

但微中子那么难测量，要怎么拿来通讯呢?团队换了一个思维，目标只要能传出0跟1就好，而这里的0就是没有发射微中子，而1则是发出微中子，而且是一大堆微中子。多到即使每百亿个微中子只有一个会被 MINERvA 侦测到，只要靠着数量暴力，探测器就一定能接收到微中子。最后的实验结果，平均一秒可以传 0.1 个位元的讯息，错误率 1%。

MINERvA 实验中的中微子侦测器示意图。图/wikimedia

看起来效率并不实用，却是一个好的开始。

因为微中子“几乎能穿透所有物体”的特性，即便我们还没有其他外星文明可以通讯，或许还是有其他作用。例如潜水艇的通讯、或是与矿坑深处的通讯。进一步说，他几乎可以在地球上的任一两点建立点对点的直线通讯，完全不用担心中间的阻碍。而对于现在最夯的太空竞赛来说，月球背面的通讯问题，微中子也可以完美解决。

那么，在微中子的研究上，各国的进度如何了呢?

除了前面提到的超级神冈，世界上还有几个有趣的微中子探测器，例如位于加拿大的萨德伯里微中子观测站（SNO），它有特殊的球体设计并且改为填充重水，专门用来观测来自太阳的微中子。

萨德伯里中微子探测器。图/wikimedia

而位于南极的冰立方微中子观测站，则是将探测器直接埋在南极 1450 到 2450 米的冰层底下，将上方的冰层直接作为捕捉微中子的水。非常聪明的设计，这也让冰立方成为地球上最大的微中子探测器。

除了已经在使用的这几个探测器之外，美、中、日也即将打造更先进、更强大的探测器。

预计在美国打造的国际计划——地下深处微中子实验（Deep Underground Neutrino Experiment），预计成为世界上最大的低温粒子侦测器。接收器位于南达科他州的地底一公里深处，用作研究的微中子讯号源则来自 1300 公里外的费米实验室，百万瓦等级的质子加速器，将产生有史以来最强的微中子束。这台地下深处微中子实验（Deep Underground Neutrino Experiment）的缩写非常有趣，就是 DUNE，沙丘。

中国呢，则预计在广东的江门市，用 2 万支 51 厘米光电倍增管和 2 万 5000 支 7.6 厘米光电倍增管，在地底 700 米深处，打造巨大球形的微中子探测器-江门中微子实验室，内部可以填充两万吨的纯水。最新的消息是预计 2024 年就能启用。

最后，经典的超级神冈探测器也不会就此原地踏步，日本预计打造更大的超巨型神冈探测器。容积将提升 5.2 倍、光电管从 11200 个变成 4 万个，进一步研究微中子与反微中子之间的震荡。

超巨型神冈探测器设计图。图/Hyper-Kamiokande

结论

这些微中子探测器的研究目标必然是微中子本身的特性。但既然微中子通讯是有可能的，在任务之余研究一下这个可能性，也不是说不行吧。

虽然我们现在还没连系上我们的好邻居，但很难说明天就有哪个外星文明终于接收到我们对外宣传的讯息，发出微中子通讯问候，甚至按图索骥跑来地球。

至于那时我们应该怎么办呢?我们的网站上有几篇文章，包括介绍黑暗森林法则，以及从《异星入境》看我们要如何与语言不通的外星文明沟通。有兴趣的朋友，可以点击资讯栏的连结观看。在外星人降临之前，也不妨参考我们的科学小物哦。

最后问问大家，你觉得我们应该主动联系外星文明吗?