听天外来客之类的

我如果一个人正在寻找来自外星文明的信号，为什么不在一些我们自己星球上已经知道的非人类通信系统上实践呢?鲸鱼拥有全球通讯系统已经有几百万年了——比HOMO SAPIENS.甚至存在。在人类将民主作为一种政治制度之前的数百万年里，通过跳舞进行部分交流的蜜蜂，就最适合聚集的地方进行了民主辩论。还有很多其他的例子。据我所知，在研究过其他动物交流系统的人当中，没有一个得出结论说，这个物种比他们之前认为的要笨。

通过对动物通信的研究，我的同事和我已经开发出一种新的探测器，一个“通信智能”过滤器，确定来自空间的信号是否来自技术先进的文明。最先前的SETI（搜索外星智能）努力已经寻找具有窄带频率的无线电传输，或者对于闪烁的光信号非常快速地闪烁。根据我们对天体物理学的了解，这种传输将清楚地是人为的，并且他们的发现将表示能够在星际距离上传输信号的技术。Seti努力通常抛弃宽带无线电信号和较慢的光脉冲，其物质不太明显。虽然这些信号可能来自智能生物，但它们也可能源于无线电波的自然来源，例如星际气体云，我们缺乏讲述差异的好方法。

简而言之，我们很可能收到了来自智能生物的信息，却忽视了它，因为它不符合我们对信号应该是什么样子的预期。这可能就是为什么在50年的搜索中，我们还没有探测到任何星际通信。

在过去的15年里，我和我的同事们一直在寻找一种更好的方法。我们已经将信息理论应用于人类和动物的交流系统，现在我们可以看出，某些物种可能在交流复杂的思想，即使我们不知道他们在说什么。(我们使用“交流系统”这个术语，是为了不预先判断其他物种是否具有人类意义上的语言。)复杂的通信遵循一般的类似语法的规则，这些规则揭示了所谓的智能内容。如果我们有足够大的消息样本，我们可以量化其复杂性或规则结构的程度。在信息论的数学中，这种结构被称为“条件信息熵”，它是由字母、音素等通信基本单位之间的数学关系组成的。在日常用语中，我们将这种结构视为语法，甚至在更基本的层面上，将声音包装成单词和句子。我们在加州山景城的SETI研究所，第一次开始在SETI的数据中寻找这种结构。

米我和我在加州大学戴维斯分校的同事布伦达·麦考恩(Brenda McCowan)和肖恩·f·汉瑟(Sean F. Hanser)决定利用我们可以轻易分类的声音信号，研究那些社会复杂且高度依赖于声学交流的物种。因此，我们的前三个研究对象是宽吻海豚(Tursiops truncatus.)、松鼠猴(Saimiri sciureus)，以及座头鲸(最远)．

人类语言学的一个方面源于对字母、单词和音素的早期统计研究，被称为齐普夫定律，以哈佛大学语言学家乔治·齐普夫(George Zipf)的名字命名。在英语文本中，e比t多，t比a多，以此类推，直到最不常见的字母“q”。如果按照频率降序列出从“e”到“q”的字母，并将它们的频率绘制在对数图上，就可以用一条45度的直线来拟合这些值，也就是一条斜率为-1的直线。如果对由汉字组成的文本做同样的处理，斜率也是-1。在日语、德语、印地语和其他几十种语言中，对话中的字母、单词或音素也是如此。婴儿牙牙学语,不是服从Zipf定律。它的斜率小于-1，因为声音几乎是随机的。但随着孩子们学习语言，这个斜率逐渐向上倾斜，在大约24个月大的时候达到-1。

他们不一定要收到全部信息才能填空。

根据数学语言学家的说法，这个-1的斜率表明，给定的一系列声音或书写符号的复杂性足以构成一门语言。这是一个必要条件，但不是充分条件，这意味着这是对复杂性的第一个检验，而不是证明。根据Zipf自己的说法，这个-1斜率的原因是一种权衡，他称之为“最小努力原则”。它在发送方和接收方之间取得了平衡，发送方希望花费最少的能量发送信号，而接收方希望尽可能多的冗余以确保整个信息被接收。

信息论应用的关键是信令单元的隔离。例如，仅仅在莫尔斯电码中绘制所有的点和破折号，就会给出一个大约-0.2的Zipf斜率。但是，如果使用多个点和破折号作为基本单位——点、点、破折号、破折号，以及更长的序列——斜率就会向-1倾斜，这反映了字母表中的字母是如何在这个系统中编码的。通过这种方式，我们可以逆向工程原来的意义单位是什么。

大多数语言学家过去认为齐普夫定律只是人类语言的一个特征。因此，我们非常兴奋地发现，在绘制成年瓶鼻海豚发出哨声的频率时，它们也遵守了齐普夫定律!后来，当两只小宽吻海豚在加利福尼亚的海洋世界出生时，我们记录了它们的婴儿口哨声，发现它们的口哨声与人类婴儿的口哨声具有相同的齐普夫定律斜率。因此，小海豚咿呀学语地吹口哨，必须以与人类婴儿学习语言类似的方式来学习他们的交流系统。当海豚长到12个月大时，它们发出哨声的频率分布也达到了-1的斜率。

一个虽然我们尚未破译瓶子海豚在说什么，但我们继续建立他们和鲸鱼的通信系统，内部复杂性接近人类语言。这种复杂性使得通信有弹性。尽管存在环境噪声，干预信号传播的其他障碍，但是交换信息的任何生物都必须能够这样做。人类语言被构建以提供冗余。在最基本的级别，此结构确定将出现给定字母的概率。如果我告诉你我在想一个单词，你可能会猜到第一个字母是“t”，因为这是英语中最常见的词汇字母。你的猜测是安全的，但不是很好的信息。我们可能会说你用猜测来播放它。如果你猜你的字母“q”而且你是正确的，你可以获得一些关于我认为这个词的词的真实信息，如果这个词确实是以字母“q”开头。

现在迈出这一步。如果我告诉过你，我想到的是一个词中的第二封信，他们的第一个字母是“q”，你会立即猜到这封信“你”。为什么？因为你知道这两个字母一起与近100％的英语概率一起使用。要猜测缺少什么，您不仅使用了一封信的发生概率，而是条件这两个字母之间的概率 - 即“U”的概率给予字母q已经出现了。我们的大脑在需要修正传输错误时，会使用条件概率，比如在低碳纸副本上的褪色文本，或者在嘈杂的电话中混淆了单词。

对于英语单词，条件概率可以连续指定大约9个单词。如果你漏掉了一个单词，你可以通过上下文猜出来;如果你连续漏掉了两个单词，你仍然可以从上下文中找到它们。举个简短的例子，比如句子里少了一个单词:“How are (blank) doing today?”我们可以很容易地从我们所知道的英语规则中填上“你”这个单词。现在考虑一个句子少了两个词:“How (blank) (blank) do today?”可以是:“乔今天过得怎么样?”但也有其他可能性。显然，缺失的单词越多，就越难从上下文中填补它们，它们之间的条件概率也就越低。对于大多数人类书面语言来说，当一个人连续漏掉大约9个单词时，条件依赖性就会消失。 With 10 words missing, one really has no clue what these missing words could be. In the language of information theory, human word entropy goes up to about ninth-order.

我们也在动物交流系统中发现了这些条件概率。举个例子，我们和阿拉斯加鲸鱼基金会的弗雷德·夏普一起在阿拉斯加东南部录制座头鲸的声音。座头鲸以它们的歌曲而闻名，这些歌曲通常是在它们去夏威夷交配时录制的。它们在阿拉斯加发出的叫声非常不同:用气泡发出的喂食叫声，目的是将鱼赶到网中;而不是鸣叫。我们记录了船只噪音存在和不存在时的这些声音。我们计算了海洋通道在多大程度上像电话线中的静电。然后，我们使用信息理论来量化鲸鱼需要降低多少声音才能确保正确接收信息。

即使是一个非常先进的外星文明，仍然需要遵守信息理论的规则。

不出所料，在船的噪音下，鲸鱼的发声速度会变慢，就像人们在有噪音的背景下打电话一样。但他们只减慢了传输速度的五分之三，这是他们理论上需要做的，以确保整个信息没有误解。它们是如何做到不像噪音水平要求的那样降低发声速度呢?我们思考了一段时间，才意识到他们的通信系统必须有足够的规则结构来恢复最后五分之二的信号。座头鲸正在探索它们的声音对应词之间的条件概率。他们不一定要收到全部信息才能填空。

我们也发现了海豚交流的内部结构。最大的不同是，海豚的核心有大约50种信号类型，而座头鲸有数百种。我们目前正在收集数据，以确定座头鲸通讯系统的最高阶熵可能是多少。

一个为了测试我们的方法从智能信号中分离天体物理学的能力，我们求助于射电天文学中的一个例子。1967年，天文学家乔斯林·贝尔·伯内尔(Jocelyn Bell Burnell)和安东尼·休伊什(Antony Hewish)发现了脉冲星，它们被称为“小绿人”(LGMs)。由于这些射电源脉冲如此频繁，一些科学家最初推测它们可能是非常高级的外星人的信标。所以我们在澳大利亚国家望远镜的Simon Johnston的帮助下重新分析了Vela脉冲星的脉冲，得到了脉冲星信号的Zipf斜率约为-0.3。这与我们所知道的任何语言都不一致。此外，我们发现脉冲星信号中很少或没有条件概率结构。事实上，脉冲星现在被认为是恒星超新星的自然残留物。因此，信息论可以很容易地区分假定的智能信号和自然源。

我们目前正在分析SETI研究所艾伦望远镜阵列获得的微波数据，该阵列由42个独立望远镜组成，在1到10千兆赫的频段内进行观测。除了通常寻找窄的无线载波的技术外，我们现在开始应用信息理论的测量方法。这项工作是与SETI研究所的格里·哈普、乔恩·理查兹和吉尔·塔特合作完成的。例如，如果我们发现了遵守Zipf定律的信号，这将鼓励我们继续寻找信号中的类似语法的结构，以便量化候选消息的实际复杂程度。

为了传播知识，即使是非常先进的外星文明也必须遵守信息理论的规则。虽然可能因为缺乏共同的符号而无法破译这样的信息(与我们遇到的问题一样，比如座头鲸)，但我们可以从中看出它们的交流系统——以及它们的思维过程——可能有多复杂。例如，如果SETI信号的条件概率是20阶，那么这个信号不仅是人造的，还会反映出一种比地球上任何语言都复杂得多的语言。我们就能定量地衡量ETI物种传播思维过程的复杂性。

Laurance R. Doyle是伊利诺伊州埃尔伊州州普林亚岛学院的物理学研究所的主任，以及加利福尼亚州山景Seti学院量子天体学院的Quantum Astrophysics集团的组织者。他是美国宇航局开普勒使命科学团队的成员，并带领球队首次直接检测一条传票的星球，开普勒-16b（绰号“Tatooine”）。

这篇文章最初发表于鹦鹉螺的宇宙2016年11月。