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问题

外星人发现地球文明所需要的科技水平有多高？

回答
要让外星文明，或者说一个拥有远超我们地球文明科技水平的种族，注意到我们的存在，并且有能力对其进行“发现”，这中间需要跨越的技术鸿沟，其实比我们想象的要复杂得多。这不仅仅是“造出飞船”那么简单，而是涉及到从宇宙尺度上的感知，到近距离探测分析的一系列复杂技术链条。

首先，宇宙尺度的感知与定位是基础。

想象一下，在浩瀚无垠的宇宙中，光速是信息传播的终极限制。一个文明要想发现我们，它首先得有能力感知到我们星球上生命活动发出的某种“信号”或者“痕迹”。

能源信号的捕捉与解析： 地球文明活动最显著的一个特点就是对能源的巨大消耗和利用。我们燃烧化石燃料，利用核能，发展电力系统。这些过程都会产生各种形式的能量辐射，比如热辐射、电磁辐射。一个先进的外星文明，可能拥有极其灵敏的探测器，能够捕捉到这些在宇宙背景噪音中微弱但有规律的能量波动。这需要的技术可能包括：
超巨型望远镜阵列： 远不止我们现在的射电望远镜或光学望远镜。可能是横跨星系、能够同时观测多个波段、精度极高的干涉仪网络。它们甚至可能不依赖可见光，而是专注于捕捉我们无法直接感知的某种“能量共振”或“信息场”。
能量特征分析能力： 能够从这些捕捉到的能量信号中，分辨出哪些是自然现象（如恒星活动、星云辐射），哪些是人工的、有规律的信号。这需要强大的模式识别和统计分析能力，以及对宇宙中各种自然能源模型的深刻理解。
时空扰动感知： 也许他们不只是看，还会“听”或者“感觉”时空的细微变化。例如，大规模的能源活动，如我们的工业化进程，可能会在局部时空中产生微小的“涟漪”，先进文明可能能捕捉到这些。

技术信号的识别与追踪： 除了能量，我们也会主动或被动地向宇宙广播信息。
无线电通讯： 早期我们会利用无线电，这些信号虽然会随着距离衰减，但如果对方的接收设备足够灵敏，并且恰好对准了我们的方向，理论上是可以被捕捉到的。
非无线电信号： 更高级的文明，可能不会只局限于无线电。他们可能能够识别出我们通过其他方式（如激光通信、甚至是某种尚未被我们理解的量子纠缠信息传递）产生的信号。
信号的“熵”分析： 高级文明可能能够分析信号的“信息熵”，判断其是否具有复杂的、非随机的结构，从而推断出其背后存在智能的可能。

其次，近距离探测与验证是深入了解的关键。

一旦发现了可能的“生命信号”，真正意义上的“发现”还需要更近一步的探测。这就像我们发现一个远处有灯光的城市，然后需要派侦察机过去看看一样。

超光速旅行或高超亚光速旅行： 要跨越星际距离，无论是派出探测器还是直接观测，都需要超越我们目前认知的物理限制。
曲速引擎或虫洞技术： 如果他们掌握了操纵时空的技术，能够以远超光速的速度旅行，那么跨越星系来“发现”我们，就变得相对容易。
极高速度的无人探测器： 即便不能超光速，但如果能以接近光速的速度派遣大量先进的无人探测器，并在几十年或几个世纪内到达我们太阳系，也能实现“发现”。这些探测器本身就是极其复杂的科技产物。

隐形与低扰动探测技术： 为了不干扰我们的文明进程，或者为了不暴露自己，先进文明的探测行动很可能需要做到极其隐蔽。
反探测伪装： 他们的飞船或探测器可能拥有先进的隐形技术，能够屏蔽电磁信号、热辐射，甚至不留下任何时空扰动。
远程扫描与采样： 他们可能能做到在不直接登陆或显著干预的情况下，通过强大的远程扫描技术，对我们进行“地毯式”的分析。这可能包括：
量子扫描： 能够分析我们星球上的物质成分、生命体的基因结构，甚至可能是思维活动的模式。
高分辨率遥感： 能够清晰地观察到地表的城市、交通、甚至单个生物体的活动，其分辨率可能达到纳米级别。
大气层与生物圈分析： 能够精确分析我们的空气成分、水质、土壤，以及所有生命体的生理特征和生态系统运作方式。

信息存储与处理能力的突破： 发现和分析一个全新文明，需要极其庞大的数据存储和处理能力。
超大规模计算： 他们的计算能力可能远超我们目前的总和，能够快速处理来自无数探测器的海量信息。
先进的AI与模式识别： 能够从我们复杂的社会、文化、科学数据中，快速理解我们的语言、历史、技术发展路径，甚至我们思考问题的方式。

生命科学与社会学理解的深度： 仅仅看到我们，理解我们是什么，需要的科技也不可小觑。
跨物种生物学： 能够理解我们这种基于碳的、DNA驱动的生命形式，并能够快速掌握其生理需求、繁殖方式、生命周期。
社会结构与心理学： 能够分析我们的社会组织、政治体系、经济活动，甚至能够通过观察（或远程脑波扫描，如果可能的话）理解我们的情感、动机和集体意识。

总而言之，外星文明要“发现”地球文明，其科技水平需要达到能够在宇宙尺度上感知并定位到我们，拥有跨越星际障碍的交通能力，并能进行极其精细、隐蔽且全面的探测与分析，最后还要具备超越我们理解的信息处理与科学分析能力。 这意味着他们在能源利用、信息传播、时空操纵、材料科学、生物科学、计算科学等多个领域，都可能已经实现了我们目前只能是理论猜想的突破。

这并非一个单一技术上的飞跃，而是一个 整体科技文明层级的提升，是一个能够深刻理解宇宙规律，并能自由运用这些规律的种族，才能进行的“发现”。

网友意见

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拥有人类现在科技水平的外星力量，可以在约 97.5 光年~约 300 光年的距离上判断出太阳附近有个天体上存在跟他们的水平接近的文明。在知道太阳系的具体构造乃至知道地球的任何细节之前，这个判断就可以做出来。

在 100 光年距离内发现人类的技术文明并定位到地球上，需要的最低科技水平略高于现在的人类。

  • 以人类现有技术所能支持的观测手段，即使从最靠近太阳的其它恒星——4.22 光年外的比邻星[1]——附近进行观测，也没有把握拍摄到地球，一个像素都没有。引力扰动、掩星都不一定能在这距离上确认内太阳系的具体天体数量。
  • 但是，要确认太阳附近有个文明星球并不需要这些。
  • 以人类现有的红外波段观测和光谱分析技术，在约 97.5 光年距离之内可以检测太阳光谱里的吸收线来发现太阳系里有一颗大气中含有氧气和卤代烷的岩石行星，这件证据可以结合观测者自己对人类水平科学技术的理解，强有力地支持该行星上存在跟“人类现有技术”水平相近的文明。
  • 在人类目前有计划的观测设备里，2019 年 8 月 28 日组装完毕的詹姆斯·韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope, 简称 JWST）就可以支持这个观测方法，上述距离就是它目前预定的观测能力[2]。对此望远镜的能力有兴趣的话可以参照此处[3]。此望远镜预定在今年年底（或再推迟到那之后）发射。
  • JWST 的能力并非人类现有科技水平能达到的极限。如果有阿波罗计划那样的资金支持，二十世纪末就可以造出比 JWST 还要大很多的望远镜群、拿核热火箭送到地月拉格朗日 L1 之类地方去，对上述化学特征的探测距离可以扩展到约 300 光年。

上述方法依靠的是人类活动排放的污染物对地球大气成分的影响。人类活动对地球外观的其它影响，目前规模较大的是昼半球城市的热岛效应、夜半球城市的灯光，人类现有的观测能力允许在太阳系的柯伊伯带检测这些现象——这距离实在太近了，但人类的技术在迅速发展，预计数十年内就可以在比邻星距离上有效地发现上述现象并跟火山爆发、野火燃烧之类区分开来，那之后有效观测距离会迅速朝百光年级伸展。

这也就意味着，在 100 到 300 光年距离内发现人类的技术文明并定位到地球，需要的最低科技水平比上面的要高一点，可以检测城市灯光、大气污染物、城市热岛之类。

在更远距离上通过电磁波观测到的“人类的技术文明（工业革命之前）”，能表现出的特征信号几乎不超过“地球生物圈的背景水平”。在数千光年内，需要的最低科技水平比上面的再高一点点，检测对象是植物的光谱和分形构造投下的影子，用数据推测地球上存在智能生物的概率。

人类文明史以建造第一座巨型建筑计算有约 12000 年，相应的电磁波传播出去的距离约 12000 光年。在这范围内发现地球上的生物圈迹象，需要用到的基本上都是人类自己在本世纪就能掌握的技术，只是规模格外地大。有这种技术的文明大抵有至少一部分成员知道“只要生物圈长时间存在，智能生物早晚会出现”，看看太阳和地球的样子就可以推测地球上有智能生物了。


截止 2020 年 10 月，我们在距离太阳 300 光年之内的时空之中已经发现了 1004 个位于能观测地球凌日的角度上的恒星，其中 508 个保证了足以用和人类的凌日系外行星巡天卫星（TESS，2018 年 4 月 18 日发射）同等水准的天文设备发现地球的观察窗口。拥有人类科技水平的外星力量在这些恒星附近的话，他们有可能已经确认太阳附近存在文明。这 1004 个恒星里距离太阳最近的是 Ross 64，约 28 光年。

在上述 508 个恒星里，K2-155 有 3 个已知的行星，K2–240 有 2 个已知的行星，K2–65 有 1 个已知的行星。它们到地球的距离都远于 JWST 可以观测到上面的人类水平文明痕迹的距离。

喜欢直接成像的话，除假想的太阳引力透镜焦点望远镜以外，人类现有观测手段从太阳系外对地球成像的效果最多是一个像素，这还很可能需要从距离短于 4.22 光年的地方进行观测，那意味着观测者在靠近太阳系，甚至即将进入太阳系。

  • 对这一个像素进行光谱分析可以显示大气污染物的存在、城市的周期性光学特征，而且地球上有约三万亿棵树，它们投下的影子与岩石、山脉、陨石坑、传统建筑物的影子形状十分不同（树、人这样的多细胞生物在接近正午的阳光照射下仍然有可以从俯视视角看到的影子，树影的总体规模是地球生物圈里最大的），能证明地球上存在大量复杂结构[4]，与大气污染物一起作为地球上存在文明的证据。
  • NASA 喷气推进实验室已初步研究了在距离太阳 548.7 天文单位（0.0086 光年）的太阳引力透镜焦点上使用百万像素级 CCD 和高分辨率光谱仪来观测太阳系外行星的任务，预计可以对 97.8 光年内的恒星之宜居带内的行星进行分辨率达千米级的成像，足以观测其表面特征和宜居迹象。NASA 已经确定了任务的可行性，没有发现不可逾越的技术障碍——意味着这个计划可能在许多方面超过人类现有技术，但在建造途中可以克服。你可以预期人类水平的外星文明在 97.8 光年内的其它恒星附近可以用类似的方法对地球成像，但这个工程的性价比非常之低，现实中未必有任何文明去用。

“在数十、上百光年外接收人类发射的无线电广播”需要的技术比这些要高。

  • 人类日常发射的通讯电波里强度较高的是电视信号，用现有的射电望远镜技术从比邻星附近接收将会需要直径约 33100 千米的天线，就算依靠跨越整个行星表面的多个天线组成的阵列也还无法达到[5]。
  • 这方面的技术同样在发展，2019 年对超大质量黑洞事件视界的影子成像[6]就是例子。

至于旅行者一号之类“人类已经发射的航天器”，其对这件事的影响完全可以忽略。

参考

  1. ^ 半人马座α星C
  2. ^ 詹姆斯·韦伯空间望远镜原计划耗费5亿美元、于2007年发射升空，但由于技术上、预算上的各种问题而严重超支，发射时间屡次推迟，目前估计总耗资达96.6亿美元，于2021年3月30日发射。
  3. ^ https://www.jwst.nasa.gov/content/science/origins.html
  4. ^ https://doi.org/10.1017/S1473550420000270
  5. ^ 比邻星b、c估计都没有那么大
  6. ^ “事件视界望远镜”，利用“甚长基线干涉技术（VLBI）”和全球多个射电天文台的协作，构建一个口径等同于地球直径的“虚拟”望远镜。

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