在科幻作品中，常常有外星人到訪地球，並與地球人發生各種各樣的互動。然而即便外星科技再如何發達，遙遠的星際航行也必定代價不菲（起碼需要非常長的時間），如果不事先對地球有所瞭解，是很難下定決心成行的。所以就存在一個技術問題：對於外星智慧生命，他們該如何在不親自到達地球的情況下，判斷地球上是否有智慧生命，及其科技發展的程度呢？
圖片來自網絡
首先，有了高級天文望遠鏡的外星文明應該不難發現太陽，並嘗試尋找太陽系內的行星。不過如果外星人所處觀測位置不佳，並非任何時刻都能看到地球：如果地球恰好被太陽遮擋，顯然是不可能被看到的。另外如果地球恰好轉到了太陽正前方，那麼很可能會被太陽的光芒掩蓋，也是很難辨認的。然而地球的公轉軌道遠遠大於太陽半徑，並無法永遠藏身於太陽之下。技術與耐心都足夠的外星人，終究可以等到一個地球位於太陽側面的合適時機，直接看到地球的存在。這和我們地球人觀測水星有點相似，如下圖所示，當水星在地球上看來處於東西大距的時候，是最適合觀測的時候。
水星的東大距與西大距
假如外星人看到了地球，他們第一眼就可以發現地球是藍色的，並一定能夠知道這是水的顏色（水是宇宙中第三多的分子）。假如他們的望遠鏡足夠強大，也許可以觀察到地球上蜿蜒曲折的海岸線，強烈意味著水極有可能是液態的。根據物理原理，液態水的存在很容易把所處環境的溫度和氣壓確定在一個很小的範圍內。他們甚至有可能觀察到雲層變幻等氣象活動，進一步縮小溫度和氣壓的範圍。總之，液態水的存在，強烈的表明地球的環境或許十分適合碳基生命居住。
圖片來自網絡
另外，通過分析地球大氣的光譜信息，外星天體物理學家可以發現地球大氣中氧氣的含量多達五分之一，簡直高的異乎尋常。氧是宇宙中第三多的元素（僅次於氫和氦），但氧氣的化學性質活潑，極易與其他元素化合，難以單獨存在。比如火星和金星，甚至早期的地球，其大氣中絕大部分成分都是二氧化碳，氧氣的含量十分稀少。今日地球大氣中如此高的氧氣比例，完全是地球生命光合作用的結果。
圖片來自網絡
如此不同尋常的氧氣含量，相信很難不引起聰明的外星人注意。並且他們可以發現地球上的氧氣含量可以在很長一段時間內保持穩定。鑑於氧氣的消耗速度是如此之快，穩定的氧氣含量就意味著氧氣的產生速度與消耗速度幾乎一致，故一定有什麼機制可以大量的產生氧氣。如果外星人瞭解光合作用，也許會據此推測出地球上很可能存在光合作用生物。不過究竟僅僅只是一堆單細胞藍藻，或是存在更高等的智慧生物，就需要進一步研究才能確定了。
圖片來自網絡
如果外星人能夠觀察到夜間的地球，也許可以從光譜信號中得到人類照明光源的信息。比如城市裡最常用的路燈為高壓鈉燈，從其光譜中就可以觀測到鈉元素的特徵信號。這種發光很難說是在沒有生命活動的情況下自發產生的。然而即便外星人能夠確定這些光來源於地球生物，也很難分辨究竟是來自於電能還是生物能——地球上很多生物都可以發光，甚至像電影《阿凡達》中那般多姿多彩的發光生物在理論上也並非沒有存在的可能。不過兩者之前還是有所區別的：人類的夜間光源大部分產自城市，總體呈現極不均勻的零散點狀分佈，很難想象非智慧生物的發光會形成如此的狀態。對光源的分佈做進一步的研究也許是必要的，但這無疑將對外星工程師的技術水平提出更高的挑戰。
圖片來自網絡
一些人類活動也可能會留下痕跡，人類活動產生的硫酸、碳酸、硝酸，或者燃燒化石燃料產生的其他成分，也都有可能被外星人從地球大氣光譜中探測到。如果外星文明已經實現了可控核聚變，他們很可能會嘲笑我們這種落後的高汙染的生產方式。此外，地表的核武器爆炸也可能被注意到。也許遙遠的外星觀測者很難將其與火山爆發或者小行星撞擊區分開來，但如果他們的檢測手段足夠靈敏，也許可以在爆炸發生後很短時間內，觀察到地球大氣中某些放射性元素異乎尋常的增長。如果他們也掌握了核武器，就一定明白這意味著什麼。所幸今日已經沒有哪個政權會在大氣層內進行核試驗了（雖然地下核試驗仍舊難以全面禁止），無論動機如何，必定是一件在各種意義上都有利於人類和平的事情。
圖片來自網絡
光學波段之外，也有其他的頻段的信號可供外星文明探測。每當人類使用手機，電臺或者衛星通訊時，都會向宇宙發射射頻信號。如果外星人建造了類似於我國貴州山區的FAST這種超大型射電望遠鏡，並在射電波段觀察太陽系，就會發現地球比太陽還要“亮”。意味著這裡肯定發生了一些不同尋常的事情——小型巖質行星在正常情況下，幾乎不會發射任何射電信號。
FAST射電望遠鏡
即便如此，外星科學家也許會絞盡腦汁思考這些信號是不是由於某種未知機制導致的，不見得就認同這裡存在科技文明。且地球也並非太陽系內唯一的大型射電源。如果外星科學家比較馬虎，也許會把這些信號歸結於木星並草草了事。若因此使得外星艦隊錯失了侵略地球的絕佳時機，那個粗心的傢伙也許會成為外星的千古罪人吧。
圖片來自網絡
作為總結，我們人類對於宇宙探索的好奇心是永不停止的，相信外星的智慧生命亦然。從目前的數據推測，僅銀河系就約有400億顆類地行星。雖然細節不同，但很多類地行星在整體上與地球十分相似，外星文明的存在並非不可能。基於上面的種種方式，也許地球文明有朝一日終究會被外星智慧生命找到。如果真的有那一天，比起被動的被人找到，筆者覺得還是由我們主動發現別人更好一些。
至於一些文學作品中提出的所謂“黑暗森林”法則，這種“法則”是否成立，可以留待各位讀者思考。
參考資料：
1.《天體物理概率》向守平 著， 中國科學技術大學出版社，2008
2.《給忙碌者的天體物理學》[美]尼爾·德格拉斯·泰森（NeildeGrasse Tyson）著，孫正凡譯，北京聯合出版公司，2018
▶ 物理所師生原創投稿 ◀
作者：董立
審稿：李更
歡迎所內師生通過“物理所網上辦公平臺”投稿！方式如下：登錄“辦公平臺”→“辦事大廳”→“綜合處事務”→“科普文章投稿”。
編輯：Quanta Yuan
近期熱門文章Top10
↓ 點擊標題即可查看 ↓
1. 物理定律告訴你，愛情的真相有多麼殘酷！
2. 玉皇大帝到底住在平流層還是對流層？
3. 玻璃球裡的花紋是怎麼弄進去的？看完童年之謎終於解開了
4. 不要模仿！把兩顆葡萄一起放進微波爐 ，能燒得你家都沒了
5. 仰望星空100年
6. 不知道這些，別說你看懂了《流浪地球》
7. 如何批量製造鑽石
8. 楊-米爾斯理論說了啥？為什麼說這是楊振寧超越他諾獎的貢獻？
9. 怎麼避免上廁所沒有紙？看完這篇文章你就懂了
10. 牛頓棺材板壓不住時，請祭出此物防身！