10個有關星際交流的暢想

地球上的我們無論身處何處，都已經習慣了拿出手機，通過打電話、發簡訊、傳照片或視頻的方式與他人交流。此外，隨著網路的高速發展和網路資源日漸豐富，我們越來越離不開它。無論是想開展一項科學研究，還是想以最便捷的方式找到約會地點，我們都會尋求網路的幫助。

然而在太空中，卻沒有相關的途徑和寬頻來實現我們十分熟悉的即時通訊。一方面，星際間的距離過於遙遠，電子通訊會有嚴重的滯後效應；另一方面，受太空輻射干擾，信號從外星球表面傳回地球過程中清晰度會受損。更難克服的是，信號在某些位置會因為星體運動（有時是因為太陽）被屏蔽。

設想你是一位要去火星開闢殖民地的宇航員，火星距離地球最近距離約為5.6 x 108 Km，最遠距離約為2.26 x 109 Km（譯者註：由於繞太陽公轉，地球和火星位置處於變化之中），這時候你與地面的交流將面臨重重難關。如果用現有科技與地面指揮中心實現通話或進行簡訊交流，通訊滯後效應在3-21分鐘之間，這會使交流變得相當困難。假設當你在火星上發現一些不可思議的東西，準備告知地面指揮中心。你或許可以克服重重困難傳回一張靜物圖給他們，但是你可別妄想從火星表面傳回一段實時視頻。NASA(美國國家航空宇宙航行局)承認當前的設備尚不能支持視頻傳輸。雖然近來技術略有突破，但「漫遊者」在火星上也只能實現256K/s的數據傳輸。對於20世紀90年代的地球而言，這個速度算是比較快的—那時候人們還在使用撥號連接（譯者註：撥號連接速度在52-56KB/s,現在人們普遍使用寬頻連接，很少用撥號連接）。在火星上使用雲應用或者谷歌的高解析度地圖導航更是不可能的。

如果你敢於一路冒險，越過冥王星，在太陽系的附近尋找一個類地行星，那時候實現與地面通訊的困難更是難以想像的。這是科學家們數十年來絞盡腦汁想要解決的問題，他們希望可以像以前電話公司在廣告里說的那樣—穿越宇宙那令人生畏的廣袤，探尋出向外傳遞信號並找到外星生物的門徑。以下是這些年來科學家們的10個星際交流暢想。

10.通過通信衛星建立星際互聯網

通過衛星，在水星和冥王星之間建立一個能覆蓋總長達60億千米的太陽系網路聽起來有些異想天開。然而，時光回到1945年，英國科學家和科幻作家克拉克在雜誌上發表了一篇文章，展望通過軌道衛星建立全球通信網路的情形，這在當時看來是個瘋狂的設想。但是，在今天，近地太空中衛星隨處可見，我們可以通過它們在地球上任何地方打電話、發簡訊或者發郵件。事實上，在第一顆人造地球衛星沒有發射之前，就已經有人設想出像克拉克全球通訊網路一般的星際通訊網路了。

1959年，太空科學家E.米勒（E. Mueller）和約翰. E.泰伯（John. E.Taber）在舊金山的一個電子展會上做了一個名為「星際交流系統」的展示，講解如何通過無線電波在太空實現長距離數字傳輸（Digital Transmissions）。40年後，科學家史蒂芬?達維多維奇（Stevan Davidovich）和喬?惠廷頓（Joel Whittington）草構了一個精密的通訊網路：將三個衛星放置在繞太陽的極軌上，其他衛星放在不同星球與地球位置相對不變的地方或者放在這些星球的極軌上。

將這些衛星組成一個網路，就可以接收來自宇宙飛船或者機器人探測器發射的信號，然後通過這個網路沿一定路線向上或向下傳遞，直到抵達地球。或許是由於發射多顆衛星到遙遠天體的軌道耗資過大，到目前為止，尚沒有任何行動將這樣的設想付諸現實。

9.用激光取代無線電波

正如導語所言，太空數據傳輸目前無法突破速度難關，其傳輸速度遠小於我們熟知的寬頻互聯網。除開那些複雜的數學關係，我們可以這樣理解其局限，無線電波傳播的相對頻率限制了它們可以攜帶的數據量（譯者註：無線電頻率越高，承載的信息量越大）。如果你家或辦公室有人使用無線網路路由器你就會發現這個效應，無線網路的網速不如有線連接網路。

和無線電波相反，激光能量高度集中，頻段集中，因而可以承載更多信息。此外，因為激光不像無線電波一樣易發散，所以傳輸數據時候需要能量較少。NASA正在進行的「深空光通信工程」（Deep Space Optical Communications Project），目的便在於設法採用激光取代無線電波發射機和接收器。這意味著太空數據傳輸將提高至目前最先進的無線電裝置傳輸速率的10~100倍，接近於在地球上寬頻網速。但是將激光通信應用起來絕非易事。NASA已經在太空完成了一個小型的、低速率傳播的激光傳輸試驗，並著手建立太空激光通信系統，這個系統會用一個月球軌道的衛星來測驗。到最後，激光數據傳輸技術也許可以使從火星傳輸高清、實時視頻成為可能。

8.將探測器和漫遊車嵌入星際通訊網路

之前我們提到一個浩大的工程：建立由專用通訊衛星組成的巨大通訊網路以覆蓋整個太陽系。但會不會有更簡便廉價而有效的方式來構建這樣一個網路呢。直至今日，我們送上天的每架宇宙飛船和衛星通常都會利用量身定製的軟體和設備（之後往往廢棄）直接與地面站通訊。

但如果科學家和工程師們將發射的每架飛行器或其他物體—包括太空站、軌道望遠鏡、繞火星或其他行星的軌道探測器，甚至是勘探太空地貌的機器漫遊車都裝上類似的通訊設備並實現設施之間互聯，讓它們充當其整個星際網路的節點呢？用地球上現有的東西做一個類比：想像一下將你的手提電腦、平板電腦、智能手機、遊戲機網路攝像頭以及家庭娛樂中心都連接到你的無線路由器並實現內容共享。

除了信息中轉站的作用，這樣一個星際網路更理想的功能是能夠接入地球互聯網。這樣一來，科學家們就可以連通軌道衛星或漫遊車，隨時監測它們的拍攝畫面，就跟登錄目前NASA網站一樣簡單。

「NASA將要構建的網路或許比解析出火星地質驚人細節、木衛二冰層底下海洋狀況和金星湍流雲的系統更出色，」工程學出版物《IEEE綜覽》2005年的一篇文章說道，「思鄉的太空探索者們說不定還有機會給家裡發電郵呢。」

7.太空通用的網際網路

上面我們提及將飛行器和探測器互聯構建出龐大的太空網路，使科學家能夠通過像在地球接入網際網路的方式與之相連。但就如一些評論家所說，這種方法可能並非最佳，畢竟網際網路的基礎設計在太空中可能行不通。我們在地球上所使用的互聯網協議是在分解傳遞信息的基礎上實現的。不管是文字、聲音還是視頻，這些信息在傳遞之初就被解析為小小的數據段，然後在另一個終端重新合成，這樣其他人才能觀看或聽到它。只要信息傳播的速度夠快、不出現延誤或數據遺失，這種方式無疑是高效的，而在地球上要保證這幾點完全沒問題。

然而一旦進入太空—除了傳輸距離明顯變遠，天體們也各種擋路，更別說滿布太空的電磁輻射對信號的影響了——這些都將不可避免地導致信息流的延誤和中斷。這就是一些科學家要研發出網際網路改進版的原因。改進版將使用一種叫做容斷網路（DTN）的全新協議。與目前地球上使用的協議不同，DTN並不基於端對端的互聯，它能依附在無法即時傳送的數據包上，直到連接重新形成。NASA用籃球來解釋DTN的工作原理：球員會一直耐心地運球直到他發現隊友已到籃下、得到上籃機會，而不是慌忙中胡亂射籃或傳球。2008年，NASA對DTN進行了首輪測試，利用DTN從離地約兩千萬英里（約合3218萬千米）外的宇宙飛船向地球傳送了幾十張照片。

6.為其他行星建造衛星中繼站

與火星基地聯絡最大的挑戰是火星的運轉。當火星、太陽、地球連成一線時，基地會和地球失去聯繫，而且這種情況很常見—大概每780天就會發生一次。這種連成一線的排列現象很可能會惡化甚至阻礙地球和火星基地的聯繫。如果你是宇航員或者殖民者，你會因此感到孤單，前途未卜。慶幸的是，歐洲和英國的宇航員已經找到解決這種進退兩難境地的辦法。

行星通常繞開普勒（Keplerian）軌道轉，軌道的名字是以17世紀天文學家約翰尼斯?開普勒（Johannes Kepler）命名的，他發現了描述行星運行模式的數學公式。而歐洲和英國的研究人員已經計劃發射一對繞著火星轉的交際衛星。他們的繞行軌跡為非開普勒軌道，這基本上意味著它們有點偏離正常軌道，它們繞火星運行的軌道不會是圓或橢圓，也就是說行星並不在旋轉正中心。然而，為了保持在軌道上的位置，衛星不得不脫離重心引力的控制，這很可能會使衛星撞向火星。為了避免這種情況的發生，科學家提出在衛星內裝備電離子推進器。這種推進器會用微量氧氣作為推進劑，依靠太陽能作為能源。這樣衛星就可以持續不斷地發送無線電信號，甚至在火星和地球連成一線的時候也可以進行聯繫。

5.在星際軌道上撒麵包屑

星際通訊，當然並不僅僅指在太陽系內進行通訊。自從天文學家在1995年發現第一顆環繞類日恆星軌道運行的行星後，科學家們接連發現了很多其他的類似行星，它們被稱為太陽系外行星。2012年10月，科學家甚至發現一顆與地球大小接近的行星。它繞著距離太陽系最近的半人馬座B星運行，半人馬座星系距離我們約2.35萬億英里（3.78萬億千米）。

毫無疑問，這是一個讓人望而卻步的距離。即便如此，一些太空科學家仍然設想：有那麼一天，我們發射出一艘可支持星際航行的地球微縮版巨型飛船，承載著代代相傳的宇航員們探索宇宙，尋找生命星球，甚至讓地球與地外文明進行交流。

伊卡洛斯工程就是宇宙科學家和未來學家們對這一星際航行設想最新發布的研究藍圖。他們指出，這樣的構想需要考慮到飛船進入未知領域後和地球保持聯繫的問題。他們想出了一個有趣的解決辦法：一路上，巨大的飛船定時丟棄裝有傳遞信號的設備的空燃料罐，從而形成從飛船傳送數據到地球的連接。「這個辦法是通過在伊卡洛斯飛船和地球之間構建一些中繼站進行連接，發送的每一段信號鏈的距離都比好幾光年的全程距離要短得多，」參加伊卡洛工程的英國工程師帕特?加利亞（Pat Galea）在2012年如此描述。通過這一方法，我們可以減少中繼站的能量需求，或者縮減伊卡洛飛船上的天線規模，或者靈活地增加傳送數據的速度。

4.建造巨型天線陣列接受信息

科學家和未來學家們正在進行的伊卡洛斯工程（Project Icaru）嘗試設計出一艘能夠抵達鄰近星系的星際飛船，該星系距離地球約2.35萬億英里（3.78萬億公里）。他們花費了大量的時間思考飛船在星際穿越時如何與地球保持通訊。本文在之前曾提到過利用像麵包屑一樣的追蹤器連接通訊線路，飛船緊隨其後航行。但就地球而言，任務監測團隊仍然面臨著從飛船上收集信號的挑戰，以及如何過濾太空中的電磁雜訊的問題——這項任務在可能使信號減弱的地球大氣環境下進行更顯艱巨。

為了最大程度實現這種可能性，伊卡洛斯工程的設計者們提議建造多個太陽能接收站，這些接收站分布在地球不同的位置，站內巨型天線陣列能夠綿延幾公里。陣列內的天線能夠共同探測和捕捉宇宙飛船返回的微弱信號（想像一下這個類比：棒球運動員在體育館中的一個本壘打將球擊到站台上，如果這時看台上站滿人，那這個球很有可能會被某個粉絲抓住）。由於地球自轉，某個特定太陽能接收站內的天線僅僅會在每天的部分時間內能夠指向遙遠的飛船，而且該地天氣狀況還可能阻擋信號的接收。因此在全球不同地方建造大量天線陣列也許是一個明智的做法，這能夠確保我們進行近乎不間斷的通訊。

3.把太陽當作信號放大器

這是伊卡洛斯工程研究人員的另一個想法。根據愛因斯坦的相對論，由於引力的作用，光線通過質量很大的物體時位置會發生偏移，並且光線會通過類似手持式放大鏡的物體聚焦，這給專家們提供了一種思路，利用聚焦的作用來放大傳輸信號的方法。當然這個方法對於不是非常精通物理的人來說不太容易理解：一艘能夠接受通訊信號的宇宙飛船會停在星際飛船前進方向的反方向，距離太陽約510億英里（820億公里）。這其實是非常遠的距離——大約是冥王星與太陽之間距離的18倍——假設地球文明足夠發達，我們能夠發射一艘星際飛船抵達幾萬億英里以外的太空。通訊設備將會把太陽當作透鏡來放大飛船發送的信號，之後再通過其他系統將信息輸送回地球，例如激光衛星通訊網路。

「這種做法將會帶來巨大的收益，」工程師帕特（Pat Galea）2012年在發現新聞中這樣說道。「洲際宇宙火箭的傳輸器供能可以在不影響可用數據率的情況下降低到很低的水準，或者說如果供能不變，我們將會比直接傳輸獲取更多的數據。」這看起來似乎很巧妙，但是實行起來就複雜得多了。比如說，必須保持接受信號的宇宙飛船和獲取信號的星際飛船保持在近乎同一條直線上，事實證明這真的很難實現。

2.能接收極其微弱信號的超敏銳電子耳

當一個信號從遙遠的航天器發射到地球時，已經得非常微弱。簡單地說，這時候信號的能量比光子含有的能量值還少。這時的信號真的非常非常微弱。請記住，光子是能量中的最小單位，是一種微小無質量顆粒。微小到什麼程度呢？你或許會覺得難以置信！我們平時常用的手機每秒大約就會發射出10到24光子。要從充斥著嘈雜、刺耳的空間中「挑選」出這些令人難以置信的微弱信號並解讀出它們是非常困難的，無異於讓你在海洋中尋找一個帶有信息的漂流瓶。但是，根據美國航空航天局太空技術計劃網站（NASA"s Space Technology Program Web site）上所記載的相關問題解決方案，技術研究人員們已經提出了一個有趣的解決方案。

當太空飛船試圖與地球取得聯繫時，它會同時發出許多信號副本而不是只發射一次單獨的信號或能量脈衝。當這些被削弱後的信號到達地球後，任務控制中心將使用一種名為「結構化光接收器（structured optical receiver）」或「古哈接收器（Guhareceiver，該概念最先由科學家Saikat Guha提出，故因此得名）」的設備。這些設備將從根本上重組這些尚存的、極其微弱的、零零碎碎的信號副本，並最終把它們拼湊在一起重建信息。試著這樣去想像一下，將一條信息列印在一張紙上，之後複印幾萬張副本，將它們放入粉碎機並把由此產生的小碎片混起來。那麼即使你將大部分碎紙片扔進垃圾桶，餘下的那些紙片也足夠重組原本紙上的那條信息了。

1.比光速還快的「中微子粒子」

不管我們開發了多少令人難以置信的複雜「小玩意兒」將那些歷經十萬八千里從遙遠的外太空「掙扎」抵達地球的微弱信號拼湊在一起，我們依然面臨著另一個更具挑戰性的問題。我們已經習慣地球上方便的即時通訊，例如Skype-style視頻對話。而在我們距離寬廣的太陽系中，這種技術是否真正可行呢，至少以目前的技術來說，應該是不太可行的。如果我們想要前往太陽系之外的行星上，那可能性更是微乎其微。如果飛船到達離地球最近的，距地球約數萬億英里的半人馬座阿爾法星的恆星系統（the Alpha Centauri star system），那麼每一次聲音、影像或文字要從那邊傳輸到地球，平均需要4.2年，它們要跨越如此之長的距離才能來到我們身邊。這也是為什麼空想家們已經開始提出「亞原子粒子束（beams of subatomic particle）傳輸消息的速度將快於光速」的新想法。

哇！這個想法聽起來非常簡單，不是嗎？但，請三思一下，要實行這個方案的前提是，我們必須得打破愛因斯坦的狹義相對論，因為他的相對論中說道，沒有任何東西的移動速度能夠與光速相比。另一方面，也許比光速移動速度更快的物質並不存在。2012年，兩位數學家在英國的某一科學雜誌上發表了一篇論文。這兩位作者在論文中提出，他們有辦法推翻愛因斯坦的相關公式和理論，並聲稱比光速更快的物質傳播速度是存在的。即使最終能證實這些不同意見持有者們的結論是正確的，在此之前，我們還需要在現實中尋找出證明粒子的移動速度快於光速的一些證據，遺憾的是，關於這類言論我們至今尚未找到任何合適的證據。

在2011年一場「大張旗鼓」的實驗中，歐洲核子研究組織（CERN）中的研究人員記錄到了一種比愛因斯坦的極限速度快了一點點的中微子粒子。然而最後結果卻是，相關研究人員設備上的光纖電纜出錯（沒完全插好）造成了數據讀取錯誤。所以，關於「宇宙中有快於光速的中微子粒子」這一說法，暫時只能歸類為「天方夜譚」。

譯者/Chenling Wan、敖-有沒、瓶子ysq、杉杉、對方正在輸入

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