2022-03-26 06:11

为什么外星文明要发射冯·诺伊曼探测器?一项新的研究表明,原因有很多

1948- 1949年,数学家、物理学家、计算机科学家和工程师约翰·冯·诺伊曼向世界介绍了他的“通用装配器”概念,这是一种自我复制的机器人。冯·诺伊曼的思想和笔记后来被汇编成一本名为《自我复制自动机理论》的书,于1966年出版(在他去世后)。随着时间的推移,这一理论将对寻找地外智慧生物(SETI)产生影响,理论学家指出,先进的智慧生物一定已经部署了这样的探测器。

纽约市理工学院(NYCCT)副教授格雷戈里·l·马特洛夫(Gregory L. Matloff)最近在一篇论文中探讨了采用自我复制探测路线的原因和技术挑战。除了探索为什么一个先进的物种会选择使用冯·诺伊曼探测器(有一天也可能包括我们)来探索银河系,他还探索了星际旅行的可能方法、探索策略,以及这些探测器可能在哪里被发现。

他的论文《冯·诺伊曼探测:合理推进星际传输时间》最近发表在剑桥大学出版的《国际天体生物学杂志》上。除了是纽约大学物理学院的兼职和名誉教授,马特洛夫还是英国星际学会(BIS)的会员、国际宇航学院(IAA)的成员,并曾担任美国宇航局马歇尔太空飞行中心的顾问。

他在太阳帆技术方面的开创性研究已经被美国宇航局用来开发星际探测器和转移潜在危险物体(PHOs)的概念——换句话说,小行星。他的著作帮助星际推进研究在学术界成为应用物理学的一个分支。他还与麻省理工学院科学作家尤金·马尔洛夫博士、著名物理学家、作家、美国国家航空航天局技术专家莱斯·约翰逊、意大利研究人员乔瓦尼·福佩蒂博士等其他杰出人物共同撰写了书籍。

2016年4月,马特洛夫被任命为尤里·米尔纳“突破摄星”项目的顾问,其他天体物理学家包括亚伯拉罕·勒布教授(哈佛史密森尼天体物理学中心)和菲利普·卢宾博士(加州大学圣巴巴拉分校实验宇宙学组组长)。2017年1月,他在曼哈顿的美国自然历史博物馆(American Museum of Natural History)发表了一场关于星际旅行的前沿讲座,他也是那里的海登助理。

有人有吗?

考虑到冯·诺伊曼探测器对SETI和费米悖论的影响,解决冯·诺伊曼探测器的问题是至关重要的。几十年来,理论物理学家和研究人员一直在利用冯·诺伊曼探测器可能存在的事实,来限制对地球以外智慧生物的探索。正如马特洛夫通过Zoom告诉《今日宇宙》(Universe Today)的那样,把我们带到这一步的道路漫长而曲折,超越了任何一个人。

正如他所解释的那样,冯·诺伊曼的“万能装配器”理念与太空探索之间的联系出现在上世纪70年代的某个时候。这很大程度上是由于像代达罗斯计划(Project Daedalus)这样的星际研究,这是一种聚变火箭的概念,由英国星际协会(BIS)在1973年至1977年之间开发。在关于此类任务是载人还是机器人的争论中,冯·诺伊曼探测器的想法被重新提了出来,并得到了应用。

很快,旧的SETI就出现了,人类有能力构想一个想法,这可能表明一个更古老、更先进的物种可能已经做到了!正如迈克尔·哈特(Michael Hart)和弗兰克·蒂普勒(Frank Tipler)在各自的研究中指出的那样,我们没有看到外星星际探测器存在的证据,这一事实是最有力的证据,表明人类在宇宙中是孤独的。这就是“哈特-蒂普勒猜想”的基础,“哈特-蒂普勒猜想”是最早提出的解决费米悖论的方法。

根据蒂普勒的说法,如果外星人确实存在,他们将在大约3亿年内发展出星际旅行的能力,并探索银河系:


代达罗斯飞船和土星五号月球火箭的比较。信贷/版权:阿德里安·曼。

几年后,著名天文学家和科学传播者卡尔·萨根在一篇名为《唯我论地外智慧》的文章中反驳了他们的结论。在这篇著名的论文(昵称为“萨根的反应”)中,他和合著者威廉·纽曼(William Newman)宣称,虽然显然没有探测和其他技术奇迹,但这绝不是结论性的。正如他们诗意地总结的那样:“证据的缺失不是证据的缺失。”

马特洛夫同样在他的论文中对哈特-蒂普勒猜想的简单和自以为是的性质提出了质疑。正如他通过电子邮件向《今日宇宙》解释的那样:

他所指的对象是MU69(又名。Arrokoth)是“接触双星”,2019年1月1日,“新视野号”在历史性的飞越过程中研究了它。正如所获得的图像所显示的那样,这个物体似乎是两个“煎饼”状的冰体(圆形或扁平),由一个“脖子”连接。这种奇怪的现象使得“新视野号”的首席研究员艾伦·斯特恩给这个物体起了个绰号“雪人”。

简而言之,当涉及到宇宙探索时,包括我们的后院,人类仅仅触及了表面。据我们所知,可能有数不清的探测器潜伏在我们的太阳系中,积极地观察着我们,或者很久以前就无法运行,后来进入了围绕太阳运行的轨道。解决冯·诺伊曼探测器(以及费米悖论)相关问题的唯一方法是改进我们的搜索方法,并继续搜索!

推进方法

正如我们在前一篇文章中提到的,穿越星际空间是非常耗时的!如果使用传统技术,即使是最近的恒星系统(半人马座阿尔法星)也需要19,000到81,000年的时间。这包括化学推进剂、霍尔效应推进器(离子发动机)、重力辅助和太阳帆。因此,在处理星际旅行时,需要考虑更先进的推进方法。

地球上的研究人员目前正在研究许多概念。其中包括核热和核电推进(NTP/NEP)、聚变推进、光子和电帆、物质/反物质湮灭,甚至还有一些真正的奇异概念(比如阿尔库维耶雷曲速引擎)。与人类刚刚来到宇宙的观点一致,SETI研究人员认为,更先进的文明可能已经研究过这些概念。

首先,马特洛夫考虑的是无动力引力辅助,即航天器利用巨大行星的引力来达到更高的速度。迄今为止,已经从地球发射了5个太空探测器,它们使用重力辅助机动来实现从太阳系逃逸的速度。其中包括先驱者10/11号、旅行者1/2号和新视野号任务。这些任务中最快的(旅行者1号)将在大约7万年的时间内到达半人马座阿尔法星系。

动力重力辅助,也被称为“奥伯斯机动”,由一艘宇宙飞船在一个巨大行星的重力井深处进行动力机动组成。根据马特洛夫的说法,这样的机动可以使航天器的速度达到旅行者1号任务的两倍(41公里/秒;25.5英里/秒),大约需要30570年才能到达半人马座阿尔法星。

根据核裂变和聚变的概念(以美国宇航局的研究为模板)进行调整后,马特洛夫得出结论说,一艘核能航天器可以在1500年的时间里穿过一束光,而一艘核聚变航天器可以在3000年的时间里穿过一束光。这样算出来,到半人马座阿尔法星的单程穿越时间分别为6550年和13100年。

根据几个因素,比如帆的材料和探测器是否“纳米小型化”,马特洛夫估计光子和电子帆可以达到相对速度(光速的一小部分),并在1000年内完成穿越。这比“突破摄星”的概念要长得多,后者的速度为0.2摄氏度,过境时间仅为20年。然而,这是基于300公里/秒(186英里/秒)的估计速度,而不是Starshot雄心勃勃的目标60000公里/秒(37280英里/秒)。

马特洛夫的研究没有提供反物质推进的估计,因为这项技术目前还不可行。根据美国航空航天局科学家罗伯特·弗里斯比为第39届AIAA/ASME/SAE/ASEE联合推进会议准备的一份报告(2003年),两级火箭可以在大约40年内到达半人马座阿尔法星。然而,“飞盘”表明,该航天器将需要超过81.5万吨(90万吨美国吨)的燃料。


艺术有限公司 光帆飞船接近可能适合居住的系外行星比邻星b的概念

由于同样的原因,我们没有考虑超光速概念(即,技术是无法验证的,而且可能永远无法验证)。与此同时,对光子探测器的估计是基于几个因素,主要是用于帆的材料类型。马特罗夫说:

启动策略

在理论基础方面,马特洛夫探索了许多可能的原因,为什么一个文明会发射一组冯·诺伊曼探测器。在本节中,许多论证都是由探索过“外星人探测器”相关问题的理论家提出的。这些研究包括哈特-蒂普勒猜想、狂战士假说,以及其他试图限制它们繁殖和扩张速度的研究。

其中比较流行的理论包括“死后的生命”,即一个面临即将死亡的先进文明会发射探测器来传播信息。这些可能包括他们的成就故事(“看看我们的作品,让你印象深刻!”),如何避免同样的命运的指导(“还不算太晚!”),或者只是他们存在的广告(“这就是我们!”记得我们!”)。

还有一种可能性是,探测器将采取“善意潜伏者”的形式,从远处观察地球。这些探测器可能是从附近的恒星系统发出的,因为它接近我们的太阳系(本福德,2021a, 2021b)。另一种说法是“恶性潜伏者”,这表明外星人可能会派出武装探测器(又名。“狂暴探测器”)来调查地球的潜在威胁并摧毁它。

也有人冒险说,其中一些探测器可能还在这里——可能在月球、地球木马和地球共轨道物体上——并将成为搜寻地外文物(SETA)的可行目标。例如,Jim Benford、Abraham Loeb教授、Konstantin Batygin和星际研究计划(i4is)最近的研究表明,像Oumuamua和2I/Borisov这样的星际物体(ISOs)是如何定期进入我们的太阳系并被捕获的。


提出反物质火箭的理论推进。资料来源:迈克·拉普兰特博士/美国宇航局马歇尔飞行中心

相关研究也表明,由于维拉·c·鲁宾天文台以及“突破倾听”和“伽利略计划”等倡议,对捕获到的iso(和新到达的)的研究将在不久的将来成为可能。另一个理由是直接的生源说,先进的文明可能会选择放弃向遥远的星球发送载人飞船(这可能需要数千年的时间),而是发送配备“基因库”或受精卵的飞船。

马特洛夫引用了蒂普勒1994年出版的《不朽的物理学》一书,在这本书中,他详细阐述了人类有朝一日如何利用探测器实现星际殖民。正如马特洛夫总结的那样,“冯·诺伊曼探测器可以携带人类受精的卵子,用机器人将其培养起来,并在由探测器构建的环绕附近恒星的太空栖息地中繁殖。”更先进的文明可能会用计算机上传的人类‘本质’来取代胚胎。”

近年来,歌德大学理论物理研究所的研究员、创世纪计划的创始人克劳迪斯·格罗斯也提出了类似的想法。创世纪号的目的是将携带基因工厂或低温舱的宇宙飞船发射到绕m型(红矮星)恒星运行的“临时宜居”行星上。这是指含有富含非生物氧气(不是由生物产生的)的岩石行星,这些氧气可能无人居住,但仍有能力维持生命。

通过在这些星球上“播种”基本生命,整个生物群落就可以在原本不会出现生命的地方发展起来。马特洛夫写道:“如果生命在宇宙中是一种非常罕见的现象,太空文明可能会部署冯•诺伊曼探测器,以实现更美好的目标。”“简单的生命形式可能被‘种植’在海洋中,在贫瘠的、含水的世界中,以在宇宙中传播生命。”

马特洛夫认为的最后一种可能性在科幻小说中已经被广泛地探索过:先进的外星人是否可以发射探测器来指导银河系或宇宙的进化?一种被称为“古接触”的流行版本认为,高级生命可能在过去访问过地球,并有意地指导人类的文化(甚至物质)进化(《2001:太空漫游》、《普罗米修斯》、《星门》等)。


最近的恒星与太阳之间相对距离的图示。信贷:IEEC / Science-Wave Guillem Ramisa

虽然这一论点的某些版本是纯粹的伪考古学(例如,“外星人建造了金字塔”),但卡尔·萨根认为,科学家不应忽视古联系。正如他和约瑟夫·什克洛夫斯基在他们影响深远的著作《宇宙中的智慧生命》中所述,这种接触的证据可能保存在古代文化的口头传统中。作为例子,他们引用了罗马尼亚的民间传说和特林吉特人在1786年与拉·白鲁斯探险队相遇的故事。

虽然这些设想都有其自身的合理性,但就SETI研究而言,它们都有一定的意义——马特洛夫在他的研究的最后一部分阐述了这一点。

Anywher附近吗?

最后,马特洛夫得出结论,人类天文学家在寻找冯·诺伊曼探测器的证据时,可能会被迫关注类太阳恒星。这可能是太阳中心偏倚的结果,我们假设g型(黄矮星)恒星最有可能支持宜居行星,因为这是我们所熟悉的。这可能意味着,先进的外星人也会受到同样的偏见,更愿意将他们的探测器发射到与自己相似的恒星上。

然而,最近的系外行星研究表明,m型(红矮星)恒星是寻找“类地”(又称“类地”)的很好的候选者。在宜居带(HZ)内运行的系外行星。马特洛夫特别强调,最近的研究表明,这些行星可能适合居住。如果一个先进的ETI和我们一样(在岩石行星上进化而来),他们不太可能忽视这些恒星系统。

Illustration showing the possible surface of TRAPPIST-1f, one of the newly discovered planets in the TRAPPIST-1 system. Credits: NASA/JPL-Caltech
图中显示的是TRAPPIST-1f可能的表面,它是TRAPPIST-1系统中新发现的行星之一。学分:NASA /姓名

除了基于恒星分类进行搜索外,马特洛夫还考虑了太阳系中可以找到探测器的各种建议。这再次提出了解决费米悖论的建议,以及它们对SETI的可能影响:

可能的位置包括月球、地球特洛伊小行星和地球共轨道小行星。然而,正如马特洛夫本人之前所暗示的那样,在太阳系外寻找ET更有可能成功。一个可能的(相当大的)位置是柯伊伯带:



寻找地外文明计划最难的部分之一是我们所拥有的有限的参考框架。我们只知道一个星球支持生命(地球)和一个技术先进的文明(我们自己)。因此,我们所有的努力都属于“低垂的果实”的方法,在这个方法中,我们被限制在寻找生命的迹象(又名。正如我们所知,“生物签名”和技术活动的证据(又名。“技术特征”),我们很熟悉。

因此,当我们要深入外星人的思想时,我们被迫坚持我们所知道的(以及我们可能在他们的位置上做的事情),并使用我们得出的结论来帮助优化搜索。虽然有些限制,但这种方法确实有很多优点。我们必须假设外星人会受到和我们一样的物理约束,因为我们知道定律不会随着时间和地点的变化而改变。

我们也非常确信,如果在我们宇宙的其他地方存在智慧生命,进化将偏爱某些类似的特征——比如好奇心。虽然对于外星人的生理、心理、通讯或技术都没有明确的结论,但可以肯定的是,他们也会有同样的探索动机。除了对宇宙有更多的了解和“看看外面有什么”的吸引力外,他们肯定会对除了他们自己之外是否还有智慧物种感兴趣。

在这方面,像这样的理论研究通过认真审视费米的著名问题(“所有人都在哪里?”),帮助我们精炼搜索。通过问这些问题,“什么最有效?”和“我们为什么要这样做?”我们选择了我们可以寻找的地方和信号。除此之外,我们唯一能做的就是继续寻找,直到我们看到外面有什么!

进一步阅读:

马特罗夫,基准线"冯·诺伊曼探测器:原理,推进,星际转移时间"能得到 《天体生物学杂志》,第21卷,第1期。1(2022)萨根,C. &纽曼,W.I.《唯我论地外智慧》QJRAS, vol. 24 (1983“外星智慧生物并不存在。”《QJRAS》,第21卷(1980)《地球上没有外星人的解释》QJRAS,第16卷(1975)