傾聽地球以外的聲音

勞倫斯·R.道爾

譯/裴淑娟

尋找來自外星球文明的信號，為什么不從地球上一些已知的非人類通信系統著手呢？鯨數百萬年前就已經有了全球通信系統——這比智人的出現都要早。蜜蜂在某種程度上通過舞蹈交流，很久之前就通過民主辯論的方式決定筑巢的最佳地點。這個時間比人類民主政治體系的產生還要早數百萬年呢。類似的例子還有很多。據我所知，研究動物交流體系的人都會得出一致結論：這些物種比人類預想的“更善言辭”。

標題

通過研究動物通信，我和同事研發出一種新的探測器，一種“通信情報”過濾器，來判斷某個太空信號是否來自先進文明。SETI（搜尋地外文明學會）已經開始尋找窄頻帶頻率的無線電傳輸及快速閃爍的光學信號。根據已有的天體物理學知識，此類信號傳輸顯然是人為的。他們的發現證明了星際間信號傳輸技術存在的可能性。SETI的研究一般會拋開寬頻帶通信信號及較慢的光學脈沖，因為還不太清楚它們的來源。這些信號有可能來自外星人，也有可能來自自然界的無線電波，我們目前還不能很好地區分它們。

簡單地說，我們可能收到過來自外星人的信息，但因未能識別它們的信號，就將其忽略了。這或許能解釋為什么我們在過去50年一直未能探測到星際間的通信信號。

通過15年的努力，我和同事找到了一種更好的方法。我們嘗試把信息理論應用到人類和動物的通信系統上，結果發現某些物種能夠傳達復雜的思想，雖然目前還不知道它們具體在說些什么。使用“通信系統”這個術語，目的在于不去預設其他物種是否具有人類意義上的語言。復雜的通信遵循類似于語法且能辨別智能內容的通用規則。如果有足夠大的信息樣本，我們可以量化其復雜度或語法結構。在信息理論的數學中，該結構被稱為“條件信息熵”，是由通信基本單元（例如字母和音素） 之間的數學關系構成的。日常話語中，這種結構被識別為語法，從更基本的層面上講，可被視為聲音轉化成詞和句子的包裝。在加利福尼亞州山景城的SETI研究所，我們已經開始從SETI數據庫中尋找這種結構。

我和我的同事布倫達·麥科恩及加利福尼亞大學戴維斯分校的肖恩·F.漢澤決定使用易于分類的聲音信號研究既具有社會復雜性又高度依賴聲學通信的物種。我們的前三個主題物種分別為瓶鼻海豚、松鼠猴和座頭鯨。

齊普夫定律是從字母、單詞和音素的早期統計研究中發現的人類語言學的一個特征。它以哈佛大學語言學家喬治·齊普命名。在英語文本中，“e”出現的頻次要高于“t”，而“t”出現的頻次又高于“a”，最不常出現的字母是“q”。如果以頻率的降序列出從“e”到“q”的字母，并在雙對數圖上繪制它們的頻率，則可以用4 5°線（一條斜率為-1的線）擬合這些值。日語、德語、印地語和其他幾十種語言對話中的字母、單詞或音素亦是如此。嬰兒的咿呀學語并不遵循齊普夫定律，它的斜率小于-1，因為他們的聲音幾乎是隨機溢出的。但是隨著孩子們的語言學習，斜度逐漸傾斜，并在大約24個月的時候達到-1。

數學語言學家認為，這個-1斜率表明給定系列的聲音或書寫符號包含足夠的復雜性來構成語言。這是個必要但不充分條件。齊普夫稱，形成這個-1斜率的原因是“最小努力原則”。它在發射器（想要以最少能量發送信號）與接收器（想要最多冗余以確保接收到完整信息）之間取得平衡。

座頭鯨交流的復雜性可與人類語言相匹敵，這表明存在甚至連外星人都要遵循的交流通用原則

信息理論應用的關鍵是隔離信令單元。例如，只要在摩爾斯電碼中繪制所有的點和破折號，即可得到約為-0.2的齊普夫斜率。但是，如果一個基本單位有多個點和短畫線，斜率會向-1傾斜，這反映了字母表中的字母在該系統中是如何被編碼的。由此，人們可以逆向設計原始單位的意義。

大多數語言學家曾認為，齊普夫定律只是人類語言的特征。但是我們在繪制成年海豚哨音的發生頻率時，發現它們也遵循了齊普夫定律！這讓我們異常興奮。后來，兩只小寬吻海豚在加利福尼亞的海洋世界出生，我們記錄了它們的嬰兒哨音，發現它們和咿呀學語的人類嬰兒有著相同的齊普夫斜率。嬰兒海豚學習它們的哨音，并以跟人類寶寶學習語言相同的方式學習它們的通信系統。當海豚長到12個月的時候，它們哨音的發生頻率分布也達到了-1斜率。

我們還在探究寬吻海豚是否和鯨一樣，擁有內部復雜性接近人類語言的通信系統。這種復雜性使通信具有復原能力。在環境噪聲、干擾障礙物和其他影響信號傳播的效應下，任何交換信息的生物都必須具備這種能力。人類語言的構造為冗余提供了條件。在最基本的層次上，這種結構決定了給定字母出現的概率。如果我告訴你我在想一個單詞，你可能會猜到第一個字母是“t”，因為這是英語中最常見的單詞首字母。你的猜測是安全的，但沒什么信息含量。相反，如果你猜到的字母是“q”，并且是正確的，你會得到一些真正的信息，假如我正在想的這個詞確實是

以字母“q”開頭的話。

現在進一步來講。如果我告訴你，我正在想的字母是首字母為“q”的單詞的第二個字母，你會立刻猜到字母“u”。為什么？因為你知道在英語中這兩個字母一起出現的概率幾乎是100%。為了猜測空缺內容，你不僅使用了字母出現的概率，還運用了這兩個字母之間的條件概率——在字母“q”給定的情況下，“u”出現的概率。每當我們的大腦需要修復信息傳輸中的錯誤，如低墨副本文件上的褪色文本或嘈雜電話呼叫中的混亂話語時，就會使用條件概率。

對于英語單詞，條件概率在一行中可以連續指定多達9個單詞。如果缺少一個單詞，你可以根據上下文猜測出來;缺少兩個單詞，你仍然可以根據上下文將其恢復。舉個簡單的例子，一句話中缺少一個單詞：“How are___doing today？”我們可以很容易地根據已知的英語規則填寫出缺少的單詞“you”。現在再來看一個句子中缺少兩個詞的例子：“How___ ___ doing today？”這句話可以是：“How is Joe doing today ？” 但也不乏其他可能性。顯然，缺失的單詞越多，根據上下文填充它們的難度就越大，它們之間的條件概率就越低。對于人類的大多數書面語言， 在一行中缺失約9個單詞時，條件依賴性就會消失。當有10個單詞缺失時，就真的沒有線索來推測缺失的內容可能是什么了。

我們在動物通信系統中發現了同樣的條件概率，例如我們和阿拉斯加鯨基金會的弗雷德·夏普在阿拉斯加東南部記錄座頭鯨聲音時的發現。座頭鯨因其歌聲而出名，通常會在夏威夷交配時歌唱，這與它們在阿拉斯加的叫聲（驅趕魚群進入氣泡網的呼叫和社交呼叫）極為不同。我們分別記錄了有無船舶噪聲兩種情況下的座頭鯨叫聲，并計算了海洋信道的靜態作用，然后用信息理論量化鯨魚在何種程度下會減慢其發聲，以確保信息的無誤接收。

正如預期的那樣，當有船的噪音時，鯨魚減慢了它們的發聲速度，正如人們打電話時背景中帶有噪音時所做的那樣。但是它們的傳輸速度只是減慢了理論上要求的3/5，以確保對方收到的整個信息無誤。它們是如何做到不按照噪音水平要求來減慢聲音的？我們思考了一段時間，意識到它們的通信系統一定有足夠的規則結構來恢復最后2/5的信號。座頭鯨是利用了它們聲音等價詞之間的條件概率。如此一來，不必接收全部信息，就能夠填補空缺。

我們還發現了海豚交流的內部結構。它們與座頭鯨最大的區別是，海豚有大約50種核心的信號類型，而座頭鯨有幾百種。我們目前正在收集數據，以確定座頭鯨通信系統的最高階熵。

海豚不必接收全部信息來填補缺失

有天文學家用我們的方法區分來自天體的自然信號與來自智慧生命的信號。天文學家喬瑟琳·貝爾·伯勒爾和安東尼·休伊什最初在1967年發現恒星脈沖星的信號時，媒體將它們稱為“LGMs”（小綠人）。因為這些無線電源發出的脈沖非常規律，一些科學家猜測它們可能來自非常先進的外星人。我們在澳大利亞國家望遠鏡中心西蒙·約翰斯頓的幫助下重新分析了帆船座脈沖星的脈沖，發現脈沖星信號的齊普夫斜率約為-0.3。這不同于我們所知的任何一種語言。此外，我們還發現這些脈沖信號內很少存在或根本沒有條件概率結構。現在，我們已經知道脈沖星

是超新星的天然殘余物。因此，信息理論可以輕易地將推定的智能信號和自然信號區分開。

我們目前正在分析從SETI研究所的艾倫望遠鏡陣列獲得的微波數據，該陣列由在1千兆赫至1 0千兆赫的頻帶中觀測的42個單獨的望遠鏡組成。除了尋找窄頻帶無線電載波的常規技術之外，我們現在開始應用信息理論測量。這項工作是與SETI研究所的格里·哈普、喬恩·理查茲和吉爾·塔特合作進行的。假如我們能夠找到遵循齊普夫定律的信號，就會繼續前進，并在信號內尋找語法結構，以量化候選消息實際上的復雜性。

為了傳播信息，即便是非常先進的地外文明，也必須遵守信息理論的規則。由于缺乏共同的符號（與座頭鯨相同的問題），我們可能無法解讀這樣的信息，但是能夠從中了解到它們的通信系統以及它們思維過程的復雜性。如果SETI信號的條件概率是20階，則不僅信號源是人為的，而且它反映的是比地球上任何語言都復雜得多的語言。我們后續將會對外星物種思維過程的復雜性進行定量測量。