21厘米有何特殊？為何科學(xué)家相信外星文明一定會用21厘米電磁波？

雖然我們目前并沒有在地球之外發(fā)現(xiàn)任何可證實的生命痕跡，但是這并不妨礙我們堅信外星文明的存在，畢竟宇宙大得令人難以想象，如果說宇宙中只有我們?nèi)祟愡@一個文明，估計是誰也不會相信的。那么假設(shè)宇宙中真的存在外星文明，我們應(yīng)該怎樣去尋找他們呢？

宇宙中的距離動不動就是多少多少光年，我們不能指望在短時間內(nèi)與外星文明進行實體接觸，因此我們尋找外星文明的方法應(yīng)該是探測他們主動向我們發(fā)出的友好信號。

我們知道，電磁波是一種良好的信息載體，有了電磁波，才有了現(xiàn)代地球的無線通信，因此我們不難推測出，如果外星文明真的向我們發(fā)出友好的信號，那么這種信號很可能也是電磁波。然而由于科技的限制，我們只能去探測特定波長的電磁波，那么應(yīng)該探測哪種電磁波呢？

其實科學(xué)家們早就開始了相關(guān)的研究工作，他們利用各式各樣的望遠(yuǎn)鏡大量地探測來自宇宙的電磁波，并試圖從中找到有關(guān)外星文明的蛛絲馬跡，而他們主要的探測目標(biāo)，就是21厘米電磁波。相信大家一定比較好奇，21厘米有何特殊？為何科學(xué)家相信外星文明一定會用21厘米電磁波呢？下面我們就來講一下。

宇宙中充斥著大量的低頻電磁波（波長較長的電磁波），如果使用這個波段電磁波，那么發(fā)射的信號就會被巨大的“噪聲背景”淹沒，而那些高頻電磁波（波長較短的電磁波）又很容易被行星的大氣層吸收，所以說能夠用于無線通信的電磁波的波長既不能太長，也不能太短。那么這樣的電磁波有嗎？

上圖為“天空噪聲圖”，其中橫坐標(biāo)表示電磁波的頻率，縱坐標(biāo)表示噪聲的強度，從中可以看到，頻率在1GHz到10GHz之間的電磁波都符合這個要求。因此可以說，如果外星文明試圖用電磁波來聯(lián)系我們，那么他們一定會用這個范圍的電磁波。

然而這個范圍依然非常大，我們還是不能夠做到全頻段的探測，很明顯，我們必須繼續(xù)縮小探測的范圍。應(yīng)該怎么做呢？科學(xué)家將目光投向了宇宙中豐度最高的元素——氫。

一個標(biāo)準(zhǔn)的氫原子（中性氫原子）是由一個質(zhì)子和一個電子構(gòu)成，而因為質(zhì)子和電子都存在著自旋，所以它們的自旋狀態(tài)就會出現(xiàn)兩種情況，一種是它們的自旋方向相同，這被稱為“對稱狀態(tài)”，另一種則是它們的自旋方向相反，這被稱為“反對稱狀態(tài)”。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，與“對稱狀態(tài)”相比，氫原子在“反對稱狀態(tài)”時的能量更低，這就意味著處于“對稱狀態(tài)”氫原子會自發(fā)地向“反對稱狀態(tài)”躍遷（能量最低原理），而當(dāng)這種情形發(fā)生時，氫原子就會發(fā)射一種頻率為1420MHz的電磁波，其對應(yīng)的波長就是21厘米。

科學(xué)家認(rèn)為，如果外星文明想讓我們注意到他們的信號，就一定會用一種非常特殊，并且容易被發(fā)現(xiàn)的電磁波，而因為宇宙中氫的比例達(dá)到了宇宙總質(zhì)量的75%左右，一個擁有一定科技水平的文明，很容易就可以注意氫原子發(fā)射的這種特殊的電磁波，再加上這種電磁波的頻率正好處于用于無線通信的最佳范圍，所以科學(xué)家相信這種頻率會成為他們的首選。我們可以看到，這就是科學(xué)家相信外星文明一定會用21厘米電磁波的原因。

另外要說的是，在宇宙中還廣泛存在著一種簡單的基團——羥基（OH），它由一個氧原子和一個氫原子組成，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，羥基也會自發(fā)地發(fā)射出一種特殊頻率的電磁波，其頻率為1720 MHz，對應(yīng)的波長為18厘米。由于羥基與氫結(jié)合會生成水，這是構(gòu)成已知生命的最重要的物質(zhì)，因此科學(xué)家推測外星文明也可能會這種頻率的電磁波向我們發(fā)射信號。

于是科學(xué)家們又將探測電磁波的范圍擴大了一點，即波長為18厘米至21厘米（頻率為1420至1720 MHz）的電磁波，并將這個范圍形象地稱為“水洞”（Water hole）。

值得一提的是，這種通過探測特定波段的電磁波來尋找外星文明的方法，其實是根據(jù)我們?nèi)祟愇拿鞯那闆r而制定的。我們完全可以想象，假如外星文明使用的不是電磁波，而是使用引力波、中微子等途徑來向我們發(fā)射信號，那么我們就根本就無法探測。實際情況似乎也暗示了這種情況的可能性很高，因為在過去的幾十年時間里，我們并沒有接收到能被證實的來自外星文明的信息。

但我們也并非一無所獲，比如說在1977年8月16日，SETI計劃的“大耳朵”天文臺就在21厘米波段記錄到了著名的“WOW！”信號，遺憾的是該信號只出現(xiàn)了一次。

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