21厘米有何特殊？为何科学家相信外星文明一定会用21厘米电磁波？

虽然我们目前并没有在地球之外发现任何可证实的生命痕迹，但是这并不妨碍我们坚信外星文明的存在，毕竟宇宙大得令人难以想象，如果说宇宙中只有我们人类这一个文明，估计是谁也不会相信的。那么假设宇宙中真的存在外星文明，我们应该怎样去寻找他们呢？

宇宙中的距离动不动就是多少多少光年，我们不能指望在短时间内与外星文明进行实体接触，因此我们寻找外星文明的方法应该是探测他们主动向我们发出的友好信号。

我们知道，电磁波是一种良好的信息载体，有了电磁波，才有了现代地球的无线通信，因此我们不难推测出，如果外星文明真的向我们发出友好的信号，那么这种信号很可能也是电磁波。然而由于科技的限制，我们只能去探测特定波长的电磁波，那么应该探测哪种电磁波呢？

其实科学家们早就开始了相关的研究工作，他们利用各式各样的望远镜大量地探测来自宇宙的电磁波，并试图从中找到有关外星文明的蛛丝马迹，而他们主要的探测目标，就是21厘米电磁波。相信大家一定比较好奇，21厘米有何特殊？为何科学家相信外星文明一定会用21厘米电磁波呢？下面我们就来讲一下。

宇宙中充斥着大量的低频电磁波（波长较长的电磁波），如果使用这个波段电磁波，那么发射的信号就会被巨大的“噪声背景”淹没，而那些高频电磁波（波长较短的电磁波）又很容易被行星的大气层吸收，所以说能够用于无线通信的电磁波的波长既不能太长，也不能太短。那么这样的电磁波有吗？

上图为“天空噪声图”，其中横坐标表示电磁波的频率，纵坐标表示噪声的强度，从中可以看到，频率在1GHz到10GHz之间的电磁波都符合这个要求。因此可以说，如果外星文明试图用电磁波来联系我们，那么他们一定会用这个范围的电磁波。

然而这个范围依然非常大，我们还是不能够做到全频段的探测，很明显，我们必须继续缩小探测的范围。应该怎么做呢？科学家将目光投向了宇宙中丰度最高的元素——氢。

一个标准的氢原子（中性氢原子）是由一个质子和一个电子构成，而因为质子和电子都存在着自旋，所以它们的自旋状态就会出现两种情况，一种是它们的自旋方向相同，这被称为“对称状态”，另一种则是它们的自旋方向相反，这被称为“反对称状态”。

科学家发现，与“对称状态”相比，氢原子在“反对称状态”时的能量更低，这就意味着处于“对称状态”氢原子会自发地向“反对称状态”跃迁（能量最低原理），而当这种情形发生时，氢原子就会发射一种频率为1420MHz的电磁波，其对应的波长就是21厘米。

科学家认为，如果外星文明想让我们注意到他们的信号，就一定会用一种非常特殊，并且容易被发现的电磁波，而因为宇宙中氢的比例达到了宇宙总质量的75%左右，一个拥有一定科技水平的文明，很容易就可以注意氢原子发射的这种特殊的电磁波，再加上这种电磁波的频率正好处于用于无线通信的最佳范围，所以科学家相信这种频率会成为他们的首选。我们可以看到，这就是科学家相信外星文明一定会用21厘米电磁波的原因。

另外要说的是，在宇宙中还广泛存在着一种简单的基团——羟基（OH），它由一个氧原子和一个氢原子组成，科学家发现，羟基也会自发地发射出一种特殊频率的电磁波，其频率为1720 MHz，对应的波长为18厘米。由于羟基与氢结合会生成水，这是构成已知生命的最重要的物质，因此科学家推测外星文明也可能会这种频率的电磁波向我们发射信号。

于是科学家们又将探测电磁波的范围扩大了一点，即波长为18厘米至21厘米（频率为1420至1720 MHz）的电磁波，并将这个范围形象地称为“水洞”（Water hole）。

值得一提的是，这种通过探测特定波段的电磁波来寻找外星文明的方法，其实是根据我们人类文明的情况而制定的。我们完全可以想象，假如外星文明使用的不是电磁波，而是使用引力波、中微子等途径来向我们发射信号，那么我们就根本就无法探测。实际情况似乎也暗示了这种情况的可能性很高，因为在过去的几十年时间里，我们并没有接收到能被证实的来自外星文明的信息。

但我们也并非一无所获，比如说在1977年8月16日，SETI计划的“大耳朵”天文台就在21厘米波段记录到了著名的“WOW！”信号，遗憾的是该信号只出现了一次。

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