الثرثرة الغريبة: في حفلة الفضاء ، سيتم سماع العقل بشكل أفضل

تطبيق نظرية المعلومات على البحث عن إشارات الحضارات خارج الأرض

إذا كنت تبحث عن إشارات من الحضارات الغريبة ، فلماذا لا تمارس أولاً على بعض أنظمة نقل المعلومات التي لا تنتمي إلى البشر الموجودة على كوكبنا؟ بوجود الحيتان ، يوجد نظام اتصالات عالمي لملايين السنين - أطول من عمر الإنسان العاقل الموجود بشكل عام. قام النحل ، الذين يتواصلون مع بعضهم البعض جزئيًا من خلال الرقص ، بإجراء نقاش ديمقراطي حول أفضل الأماكن للحفر لملايين السنين قبل أن يتوصل الناس إلى نظام سياسي ديمقراطي. مليئة بأمثلة أخرى. لم يستنتج أحد من معارفي الذين درسوا نظام الاتصال الخاص بالحيوانات الأخرى ، بعد ذلك ، استنتاجًا مفاده أن هذا النوع كان أكثر غباءً مما كان يعتقد.

بدراسة وسائل الاتصال بالحيوانات ، قمت أنا وزملائي بتطوير نوع جديد من الكاشف ، ومرشح "ذكاء الاتصال" الذي يحدد ما إذا كانت إشارة من الفضاء تنتمي إلى حضارة متقدمة من الناحية التكنولوجية. بحثت معظم المحاولات السابقة في مشروع SETI عن عمليات البث الإذاعي في نطاق تردد ضيق أو إشارات بصرية سريعة الخفقان. إذا حكمنا من خلال معرفتنا في مجال الفيزياء الفلكية ، فإن هذه الإشارات ستكون مصطنعة بشكل واضح ، ويعني اكتشافها وجود تقنيات قادرة على إرسال إشارة على مسافات بين النجوم. عادة ما ترفض مؤشرات SETI الإشارات اللاسلكية عريضة النطاق والنبضات الضوئية البطيئة ، التي يكون أصلها أقل وضوحًا. على الرغم من أن هذه الإشارات ربما تم إرسالها من قبل مخلوقات ذكية ، إلا أنها يمكن أن تأتي من مصادر طبيعية للموجات الراديوية ، مثل السحب الغازية بين النجوم ، وما زلنا لا نملك طريقة جيدة للتمييز بينها.



ببساطة ، يمكننا بالفعل تلقي رسالة من مخلوقات ذكية وإهمالها ، لأنها لم ترق إلى مستوى توقعاتنا حول كيفية ظهور هذه الإشارة. قد يكون هذا هو السبب في أنه على مدى 50 عامًا من البحث ، لم نعثر على أي اتصالات بين النجوم.

خلال العقد ونصف العقد الماضيين ، توصلنا أنا وزملائي إلى طريقة أفضل. لقد طبقنا نظرية المعلومات على أنظمة الاتصال بين الناس والحيوانات ، والآن يمكننا أن نقول على وجه اليقين في هذه الحالة تنقل بعض الكائنات الحية أفكارًا معقدة لبعضها البعض ، حتى دون معرفة ما يقولونه. نستخدم مصطلح "نظام الاتصال" حتى لا نقرر مقدمًا ما إذا كانت الأنواع الأخرى لها لغة بالمعنى الإنساني للكلمة. تخضع الاتصالات المعقدة للقواعد العامة لبناء الجملة ، والتي يتبعها وجود ما يمكن تسميته "محتوى معقول". إذا كان لدينا جزء كبير بما فيه الكفاية من الرسالة ، فيمكننا تقييم درجة التعقيد أو بنية القواعد. في رياضيات نظرية المعلومات ، تسمى هذه البنية " إنتروبيا المعلومات الشرطية " وتتكون من روابط رياضية بين وحدات الاتصال الأولية ، مثل الحروف والصوتيات . في الكلام اليومي ، نعتبر أن القواعد هي مثل هذه البنية ، وعلى مستوى أساسي أكثر ، تجميع الكلمات والجمل من الأصوات. وللمرة الأولى في معهد SETI في Mountain View في كاليفورنيا ، بدأنا في البحث عن مثل هذه الهياكل في البيانات التي جمعتها SETI.

قررت أنا وزملائي ، بريندا ماكوان ، وشون هانسر من جامعة كاليفورنيا في ديفيس ، دراسة المخلوقات المعقدة اجتماعياً والتي تعتمد بشكل كبير على الاتصال الصوتي ، واستخدام الإشارات الصوتية التي يمكننا تصنيفها. لذلك ، كانت مواضيعنا الثلاثة الأولى هي الدلافين ذات الزجاجة (Tursiops truncatus) ، والقرود السنجاب الشائعة (Saimiri sciureus) والحيتان الحدباء (Megaptera novaeangliae).

أحد جوانب اللسانيات البشرية ، الذي يتجلى في الدراسات المبكرة للكلمات والرسائل والصوتيات ، يُعرف باسم قانون Zipf ، المسمى باسم اللغوي Harvard George Zipf . في النصوص الإنجليزية ، تكون الأحرف "e" أكثر من الأحرف "t" ، والحرف "t" أكثر من الأحرف "a" ، وهكذا ، حتى الأكثر استخدامًا "q". إذا قمت ببناء قائمة من الأحرف من "e" إلى "q" بتناقص التردد ، وقمت ببناء تكرار استخدامها على رسم بياني لوغاريتمي ، فإن هذه القيم تستقر على خط مستقيم مائل عند 45 درجة - أي على خط مستقيم مع ميل -1 [ببساطة ، يتناسب تكرار استخدام الحرف n بشكل عكسي مع الرقم التسلسلي n / تقريبا. ترجم.]. إذا فعلت الشيء نفسه مع النص المكون من أحرف صينية ، فستحصل على نفس التحيز. وينطبق الشيء نفسه على الحروف أو الكلمات أو الصوتيات للمحادثات باليابانية والألمانية والهندية وعشرات اللغات الأخرى. والثرثرة الثرثرة لا تطيع قانون Zipf. تحيزه أقل من -1 ، لأنه يصدر أصواتًا عن طريق الصدفة تقريبًا. ولكن عندما تتعلم اللغة ، يزداد التحيز تدريجيًا ويصل إلى -1 في عمر 24 شهرًا.

يدعي اللغويون الرياضيون أن هذا التحيز -1 يشير إلى أن تسلسل الأصوات أو رموز الكتابة يحتوي على تعقيد كافٍ للانتماء إلى اللغة. هذا شرط ضروري ولكنه ليس كافيًا - وهذا هو أول اختبار للتعقيد ، ولكن ليس دليلاً على وجوده. يعتقد Zipf نفسه أن سبب هذا التحيز -1 يكمن في حل وسط ، والذي سماه "مبدأ أقل جهد". هذا هو التوازن بين الشخص المرسل الذي يحاول استخدام طاقة أقل لإرسال الإشارة والمستلم الذي يريد الحصول على مزيد من التكرار للتأكد من تلقي الرسالة بأكملها.

الشيء الرئيسي في تطبيق نظرية المعلومات هو عزل وحدات الإشارة. على سبيل المثال ، إذا قمنا برسم جميع النقاط والشرطات من شفرة مورس على الرسم البياني ، نحصل على منحدر Zipf بترتيب 0.2. ولكن إذا أخذنا تسلسل النقاط والشرطات - النقطة ، والنقطة ، والشرطة ، والشرطة ، والنقطة والشرطة ، والتغيرات الأطول كوحدات أولية - فعندئذٍ سيتغير التحيز إلى -1 ، مما يعكس كيفية تشفير أحرف الأبجدية في هذا النظام. بهذه الطريقة ، بمساعدة الهندسة العكسية ، يمكن التعرف على وحدات المعنى الأصلية.

اقترح معظم اللغويين أن قانون Zipf يميز اللغات البشرية فقط. اكتشفنا بكل سرور من خلال رسم تواتر تواتر صفارات دلافين قارورة الكبار على رسم بياني يطيعون أيضًا قانون Zipf! في وقت لاحق ، عندما ولد دلفينان صغيران من الزجاجة في عالم البحار في كاليفورنيا ، سجلنا صافرات صغارهم ووجدنا أن منحدر Zipf يتوافق مع ذلك في نفخة الأطفال البشر. اتضح أن أطفال الدلافين يثرثرون ويصفرون ، ويتعلمون نظام الاتصال الخاص بهم بنفس الطريقة التي يتعلم بها الأطفال البشر اللغة. عندما بلغ عمر الدلافين 12 شهرًا ، وصل تكرار توزيع الأصوات في صفاراتها إلى منحدر -1.

على الرغم من أننا لم نفهم بعد ما تقوله الدلافين ، فقد وجدنا أن لديهم والحيتان أنظمة اتصال ذات تعقيد داخلي يقترب من لغة الإنسان. هذا التعقيد يجعل خطأ الاتصال متسامحًا. يجب أن يكون أي مخلوق يتبادل المعلومات قادرًا على القيام بذلك ، على الرغم من الضوضاء المحيطة والعقبات والظواهر الأخرى التي تتداخل مع انتشار الإشارة. اللغة البشرية منظمة لتوفير التكرار. على المستوى الأساسي ، يحدد هذا الهيكل احتمالية وجود حرف معين. إذا قلت لك ما هي الكلمة المقصودة ، يمكنك تخمين أن الحرف الأول من هذه الكلمة سيكون "t" ، لأن هذا هو الحرف الأول الأكثر شيوعًا للكلمات باللغة الإنجليزية. سيكون حدسك هو الأكثر احتمالا ، ولكنه قليل المعلومات. يمكننا القول أنك اخترت أسهل الخيارات. إذا توقفت عند الحرف "q" وخمنت ، فستتلقى بعض المعلومات الأكثر دقة حول الكلمة التي تحملتها ، إذا كانت تبدأ حقًا بالحرف "q".

دعنا ننتقل. إذا قلت أنني كنت أفكر في الحرف الثاني في الكلمة ، الحرف الأول منه هو "q" ، فستخمن على الفور أن هذه الرسالة هي "u". لماذا؟ لأنك [قارئ اللغة الإنجليزية] تعرف أن هذين الحرفين باللغة الإنجليزية يحدثان مع احتمال 100٪ تقريبًا. لتخمين المعلومات الناقصة ، لم تستخدم فقط احتمال ظهور الحروف ، ولكن أيضًا الاحتمال الشرطي المرتبط بالحرفين - احتمال أن تحتوي الكلمة على الحرف "u" إذا كان معروفًا أن الحرف "q" موجود بالفعل. يستخدم دماغنا الاحتمالات الشرطية عندما يكون من الضروري تصحيح الأخطاء في نقل المعلومات - النص الغامض على المطبوعات مع نفاد خرطوشة ، أو الكلمات التي يصعب تمييزها في مكالمة هاتفية صاخبة.



في اللغة الإنجليزية ، يمكن تحديد الاحتمالات الشرطية حتى تسع كلمات متتالية. إذا كانت كلمة واحدة مفقودة ، يمكنك تخمين نوع الكلمة. إذا نسيت كلمتين متتاليتين ، فلا يزال بإمكانك استعادتهما من السياق. مثال قصير على جملة بدون كلمة واحدة: "كيف تشعر اليوم؟". من السهل تخمين أنك في عداد المفقودين. تأمل الآن جملة بدون كلمتين: "كيف ___ ___ نفسك اليوم؟" قد يكون هناك: "كيف يشعر الأبرياء اليوم؟" قد تكون هناك خيارات أخرى. من الواضح أنه كلما زاد عدد الكلمات المفقودة ، زادت صعوبة فهمها من السياق ، وكلما قل احتمالها الشرطي. بالنسبة لمعظم اللغات المكتوبة للبشرية ، يختفي الاحتمال الشرطي عندما يتم تفويت حوالي تسع كلمات متتالية. إذا كانت 10 كلمات مفقودة ، فلن يكون لديك أي فكرة عما قد تكون هذه الكلمات. في لغة نظرية المعلومات ، هذا يعني أن إنتروبيا الكلمة البشرية تصل إلى الترتيب التاسع.

وجدنا احتمالات مشروطة مماثلة في أنظمة الاتصالات الحيوانية. على سبيل المثال ، سجلنا أصوات حوت الأحدب يتحدث في جنوب شرق ألاسكا مع فريد شارب من مؤسسة ألاسكا للحيتان. الحيتان الحدباء معروفة بأغانيها ، والتي يتم تسجيلها عادة عندما تقترب من هاواي للتكاثر. في ألاسكا ، أصواتهم مختلفة تمامًا: الأصوات المخصصة لقيادة الأسماك على الشبكة تتكون من الغرغر والصراخ الاجتماعي ، وليس الأغاني. سجلنا هذه الأصوات في الحضور وفي غياب الضوضاء من القارب. حسبنا إلى أي مدى يعمل المحيط مثل ثابت في خط الهاتف. ثم استخدمنا نظرية المعلومات لتحديد كمية الحيتان التي ستحتاجها لإبطاء نطقها لتلقي الرسائل دون أخطاء.

كما هو متوقع ، في وجود ضجيج من القارب ، تباطأ الحيتان سرعة النطق ، تمامًا كما يبطئ الشخص محادثة هاتفية في وجود ضوضاء. لكنها تباطأت بمقدار 3/5 فقط من المبلغ الذي كان يجب عليهم نظريًا تحقيقه من أجل ضمان إرسال الرسائل دون سوء التفسير. كيف تمكنوا من القيام بهذا التباطؤ الطفيف عندما كان من الواضح أن الضوضاء المحيطة تتطلب المزيد؟ فكرنا في ذلك لبعض الوقت ، ثم أدركنا أن بنية القواعد في نظام الاتصال الخاص بهم على الأرجح يمكن استعادة الخمسين الباقيين من الإشارة. استخدمت الحيتان الحدباء الاحتمالات الشرطية لنظيرتها الصوتية. لم يكونوا بحاجة إلى تلقي الرسالة بالكامل حتى يتمكنوا من ملء الفراغات.



وجدنا البنية الداخلية في توصيل الدلافين. كان الفرق هو أن الدلافين كان لديها حوالي 50 إشارة رئيسية ، وكان لدى الحيتان الحدباء مئات منها. نقوم الآن بجمع المعلومات لتحديد الحد الأقصى لدرجة الانتروبيا في نظام اتصالات الحيتان الحدباء.

لاختبار إمكانية نهجنا لفصل الفيزياء الفلكية عن الإشارات المعقولة ، انتقلنا إلى أمثلة من علم الفلك الراديوي. عندما اكتشف الفلكيان جوسلين بيل بيرنيل وأنطوني هيويش النجوم النجمية في عام 1967 ، تم تسميتهم بـ "MZCH" ، أي "الرجال الخضر الصغار" [LGM]. نظرًا للدورية الواضحة لهذه المصادر الراديوية ، بدأ بعض العلماء في التكهن بأنها قد تكون منارات للحضارات المتطورة خارج الأرض. بمساعدة Simon Johnston من الجمعية الوطنية الأسترالية لعلم الفلك ، قمنا بتحليل النبضات النابضة في الأشرعة وحصلنا على منحدر Zipf -0.3. هذا لا يتطابق مع أي من اللغات المعروفة. بالإضافة إلى ذلك ، وجدنا عمليا أي بنية احتمالية مشروطة في إشارات النجم النابض. وفي الواقع ، من المعروف اليوم أن النجوم النابضة هي بقايا طبيعية للمستعرات الأعظمية. اتضح أن نظرية المعلومات يمكن أن تميز بسهولة بين إشارة ذكية وهمية ومصدر طبيعي.

نقوم الآن بتحليل بيانات الميكروويف التي تم الحصول عليها من معهد SETI Institute of Allen Antenna Array ، والتي تتكون من 42 تلسكوب ، يتم عرضها في النطاق من 1 إلى 10 جيجاهرتز. بالإضافة إلى مخطط البحث عن الموجات اللاسلكية الضيقة النطاق المعتاد ، بدأنا في تطبيق مقاييس من نظرية المعلومات. على سبيل المثال ، إذا وجدنا إشارات تطيع قانون Zipf ، فسوف يلهمنا هذا لمواصلة العمل والبحث عن البنية النحوية في الإشارات في محاولة لتحديد مدى تعقيد الرسالة المحتملة.

لنقل المعرفة ، ستحتاج حتى حضارة خارج الأرض متقدمة جدًا إلى الالتزام بقواعد نظرية المعلومات. حتى إذا لم نتمكن على الأرجح من فك شفرة هذه الرسالة بسبب عدم وجود رموز مشتركة (لدينا نفس المشكلة مع الحيتان الحدباء) ، يمكننا الحصول على فكرة عن تعقيد نظام الاتصال الخاص بهم - وبالتالي عمليات التفكير. إذا كانت ، على سبيل المثال ، الاحتمالات الشرطية للإشارة الموجودة في SETI من المرتبة 20 ، فإن هذا لن يعني فقط الطبيعة الاصطناعية للإشارة ، ولكن أيضًا التعقيد الهائل للغة مقارنة بأي لغة أرضية. سيكون لدينا مقياس كمي لتعقيد عمليات التفكير التي تنقل المعلومات إلى كائنات خارج كوكب الأرض.

لورانس دويل هو مدير معهد ميتافيزيقا الفيزياء في كلية برينسيبيل ، الكمبيوتر الشخصي. إلينوي ، والمنظمة لمجموعة الفيزياء الفلكية الكمومية في SETI. كان عضوا في مهمة كيبلر في وكالة ناسا ، وقاد الفريق الذي اكتشف أول كوكب له مدار متعدد (الملقب Tatooine).