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地球外生命体に耳を傾ける

地球外文明からの信号を探しているなら、私たちの惑星ですでに知られている人間以外の通信システムのいくつかで練習してみませんか?クジラは、ホモ サピエンスよりも長い数百万年にわたって地球規模のコミュニケーション システムを持っていました。 存在さえしました。人間が政治体制として民主主義を確立する何百万年も前から、ミツバチは一部はダンスで意思疎通を図っており、群れを成すのに最適な場所について民主的な議論を行っていました。そして、他の例はたくさんあります。私が知っている他の動物のコミュニケーションシステムを研究した人で、その種が以前考えていたよりも愚かであると結論付けた人はいません.

動物のコミュニケーションの研究を通じて、同僚と私は、宇宙からの信号が技術的に進歩した文明からのものかどうかを判断するための新しい種類の検出器、「コミュニケーションインテリジェンス」フィルターを開発しました。これまでの SETI (地球外知的生命体の探索) の取り組みのほとんどは、狭い周波数帯域の無線伝送または非常に高速で点滅する光信号を探していました。私たちが天体物理学について知っていることから、そのような送信は明らかに人工的なものであり、その発見は星間距離を超えて信号を送信できる技術を示している. SETI の取り組みは、一般に広帯域の無線信号と低速の光パルスを破棄しますが、その起源はあまり明らかではありません。これらの信号は知的な存在からのものである可能性がありますが、星間ガス雲などの電波の自然発生源からも発生する可能性があり、違いを見分ける良い方法がありませんでした.

簡単に言えば、知的な存在からのメッセージを受け取ったのに、シグナルがどのように見えるべきかという私たちの期待に沿わなかったために無視した可能性があります。これが、50 年間の捜索で星間通信をまだ検出していない理由かもしれません。

過去 15 年以上にわたり、同僚と私はより良い方法を模索してきました。私たちは人間と動物のコミュニケーション システムに情報理論を適用してきましたが、特定の種が複雑な考えを伝えている可能性があることを知ることができます。 (他の種が人間の意味で言語を持っているかどうかを事前に判断しないために、「コミュニケーション システム」という用語を使用します。) 複雑なコミュニケーションは、一般的な構文に似た規則に従い、知性内容と呼ばれるものを明らかにします。メッセージの十分なサンプルがあれば、その複雑さまたはルール構造の程度を定量化できます。情報理論の数学では、この構造は「条件付き情報エントロピー」と呼ばれ、文字や音素などの通信の基本単位間の数学的関係で構成されています。日常の会話では、この構造を文法として認識し、さらに基本的なレベルでは、音を単語や文にパッケージ化したものとして認識しています。初めて、カリフォルニア州マウンテン ビューの SETI 研究所では、SETI データでこの構造を探し始めました。

カリフォルニア大学デービス校の同僚の Brenda McCowan と Sean F. Hanser と私は、社会的に複雑で音響コミュニケーションに大きく依存している種を、簡単に分類できる音声信号を使用して研究することにしました。したがって、最初の 3 つの対象種はバンドウイルカ (Tursiops truncatus) でした。 )、リスザル(Saimiri sciureus) )、ザトウクジラ (Megaptera novaeangliae) ).

文字、単語、音素の初期の統計的研究から明らかになった人間の言語学の 1 つの側面は、ハーバード大学の言語学者ジョージ ジップにちなんで、ジップの法則として知られています。英語のテキストでは、t よりも e が多く、a よりも t が多く、以下同様に、最も頻度の低い文字「q」に至るまで続きます。 「e」から「q」までの文字を頻度の高い順にリストし、それらの頻度を両対数グラフにプロットすると、値を 45 度の線、つまり傾きのある線に合わせることができます。 –1の。漢字で構成されたテキストで同じことを行うと、勾配も -1 になります。日本語、ドイツ語、ヒンディー語、その他多くの言語での会話の文字、単語、または音素についても同じことが言えます。赤ちゃんのせせらぎはしません Zipf の法則に従います。音がほぼランダムにこぼれるため、傾きは -1 未満です。しかし、子どもたちが言語を習得するにつれて、勾配は徐々に傾き、生後 24 か月頃までに -1 に達します。

数学言語学者によると、この -1 の勾配は、特定の一連の音または文字記号が言語を構成するのに十分な複雑さを含んでいることを示しています。これは必要条件ですが、十分条件ではありません。つまり、これは複雑さの最初のテストですが、その証明ではありません。 Zipf 自身によると、この -1 の勾配の理由は、彼が「最小努力の原則」と呼んだトレードオフです。これは、信号の送信に必要なエネルギーを最小限に抑えたい送信側と、メッセージ全体が確実に受信されるように冗長性を最大限に高めたい受信側との間でバランスを取ります。

情報理論の適用の鍵は、シグナル伝達ユニットを分離することです。たとえば、モールス符号のすべてのドットとダッシュをプロットするだけで、約 –0.2 の Zipf 勾配が得られます。しかし、ドット ドット、ドット ダッシュ、ダッシュ ドット、ダッシュ ダッシュなどの基本単位として複数のドットとダッシュを使用し、さらに長いシーケンスを使用すると、このシステムでアルファベットの文字がどのようにエンコードされているかを反映して、傾きは -1 に向かって傾きます。 .このようにして、元の意味の単位が何であるかをリバース エンジニアリングできます。

ほとんどの言語学者は、ジップの法則は人間の言語だけの特徴であると考えていました。バンドウイルカの成体の口笛の発生頻度をプロットすると、バンドウイルカもジップの法則に従っていることがわかり、非常に興奮しました。その後、2 頭のバンドウイルカの赤ちゃんがカリフォルニアのマリン ワールドで生まれたとき、私たちは彼らの赤ちゃんの口笛を記録し、人間の赤ちゃんのせせらぎと同じジップフの法則の勾配を持っていることを発見しました。したがって、イルカの赤ちゃんは口笛を吹き、人間の赤ちゃんが言語を学ぶのと同じようにコミュニケーションシステムを学ばなければなりません。イルカが生後 12 か月に達するまでに、ホイッスルの発生頻度分布も -1 の勾配に達していました。

バンドウイルカが何を話しているのかはまだ解読されていませんが、バンドウイルカとクジラが人間の言語に近い内部複雑さを備えたコミュニケーション システムを持っていることを突き止めました。この複雑さにより、コミュニケーションは弾力性を持ちます。情報を交換する生き物は、周囲のノイズ、介在する障害物、および信号の伝播を妨げるその他の影響にもかかわらず、情報を交換できなければなりません。人間の言語は、冗長性を提供するように構造化されています。最も基本的なレベルでは、この構造は特定の文字が現れる確率を決定します。単語を考えていると言ったら、最初の文字が「t」だと思うかもしれません。これは、英語で最も一般的な単語の最初の文字だからです。あなたの推測は安全ですが、あまり有益ではありません。推測で安全にプレイしたと言えるかもしれません。代わりに文字「q」を推測し、それが正しければ、単語が実際に文字「q」で始まる場合、私が考えている単語についての実際の情報を得ることができます。

これをさらに一歩進めます。私が考えている文字は、最初の文字が「q」である単語の 2 番目の文字であると言ったら、すぐに文字「u」を推測するでしょう。なんで?この 2 つの文字は、英語ではほぼ 100% の確率で一致することがわかっているからです。何が欠けているかを推測するには、文字の出現確率だけでなく、条件 この 2 文字の間の確率、つまり「u」が 与えられた 確率 文字「q」がすでに発生していること。私たちの脳は、紙の薄いコピーのかすれたテキストや騒々しい電話の文字化けなど、送信エラーを修正する必要があるときはいつでも、条件付き確率を使用します。

英単語の場合、条件付き確率は連続して約 9 単語まで指定できます。単語が 1 つ欠けていても、おそらく文脈から推測できます。 2 つの単語が連続して欠落している場合でも、多くの場合、文脈からそれらを復元できます。簡単な例として、「(空白の)今日の調子はどうですか?」という単語が欠けている文を考えてみましょう。英語について知っているルールから、不足している単語「you」を簡単に埋めることができます。ここで、2 つの単語が欠落している文を考えてみましょう。「How (blank) (blank) doing today?」 「今日のジョーの調子はどう?」しかし、他の可能性もあります。明らかに、欠落している単語が多いほど、文脈からそれらを埋めるのが難しくなり、単語間の条件付き確率が低くなります。ほとんどの人間の書き言葉では、約 9 単語が連続して欠落すると、条件付き依存関係がなくなります。 10 個の単語が欠落しているため、これらの欠落している単語が何であるかはまったくわかりません。情報理論の言語では、人間の言葉のエントロピーは約 9 次まで上がります。

動物のコミュニケーションシステム内でも、これらの条件付き確率を発見しました。一例として、アラスカ鯨財団のフレッド・シャープと共にアラスカ南東部のザトウクジラの音を録音しました。ザトウクジラは歌で有名で、通常、ハワイに交尾するときに録音されます。アラスカでの彼らの鳴き声は大きく異なります。魚を群れにすることを目的とした鳴き声を、歌ではなく泡で作られた網に送り込み、社交的な鳴き声を上げます。ボートの騒音がある場合とない場合で、これらの発声を記録しました。オーシャン チャネルが電話回線で静的に作用する度合いを計算しました。次に、情報理論を使用して、クジラがメッセージをエラーなく受信できるようにするために発声をどれだけ遅くする必要があるかを定量化しました。

予想通り、ボートの騒音があると、クジラの発声速度が遅くなりました。これは、騒音を背景に電話で話しているときと同じです。しかし、彼らは、メッセージ全体が誤解なく確実に受信されるようにするために理論的に必要な量の約 5 分の 3 だけ、送信速度を落としていました。彼らは、騒音レベルが必要と思われるほど発声を遅くしないで、どうやって逃げたのでしょうか?私たちは、彼らの通信システムが信号の最後の 5 分の 2 を回復するのに十分なルール構造を持っている必要があることに気付く前に、しばらく考えました。ザトウクジラは、言葉に相当する音の間の条件付き確率を利用していました。空欄を埋めるためにメッセージ全体を受信する必要はありませんでした。

イルカのコミュニケーションにも内部構造を見出しました。大きな違いは、イルカには約 50 の信号タイプのコアがあるのに対し、ザトウクジラには数百の信号タイプがあることです。現在、ザトウクジラの通信システムの最高次エントロピーが何であるかを判断するためにデータを収集しています。

天体物理学をインテリジェント信号から分離するアプローチの能力をテストするために、電波天文学の例に目を向けました。恒星パルサーが 1967 年に天文学者ジョセリン ベル バーネルとアントニー ヒューイッシュによって発見されたとき、それらは「小さな緑の男性」を意味する「LGM」と呼ばれました。これらの電波源は非常に規則的に脈動しているため、一部の科学者は当初、それらが非常に高度な地球外生命体のビーコンである可能性があると推測していました。そこで、オーストラリア望遠鏡国立施設のサイモン・ジョンストンの助けを借りてベラ・パルサーからのパルスを再分析し、パルサー信号の Zipf 勾配が約 -0.3 であることを確認しました。これは、私たちが知っているどの言語とも一致しません。さらに、パルサー信号内に条件付き確率構造がほとんどまたはまったくないことを発見しました。実際、パルサーは恒星の超新星の自然な残骸であることが現在知られています。したがって、情報理論は、推定上の知的信号と自然発生源を簡単に区別できます。

現在、SETI 研究所のアレン望遠鏡アレイで取得されたマイクロ波データを分析しています。このアレイは、1 ~ 10 ギガヘルツの周波数帯域で観測する 42 の個々の望遠鏡で構成されています。狭い無線搬送波を探すという通常の手法に加えて、情報理論的手段を適用することが現在始まっています。この作品は、SETI Institute の Gerry Harp、Jon Richards、Jill Tarter と共同で上演されています。たとえば、Zipf の法則に従うシグナルが見つかった場合、候補メッセージが実際にどれほど複雑であるかを定量化するために、シグナル内の構文に似た構造を探すことが推奨されます。

知識を伝達するには、非常に高度な地球外文明でさえ、情報理論のルールに従わなければなりません。共通の記号がないためにそのようなメッセージを解読できないかもしれませんが (ザトウクジラなどと同じ問題があります)、彼らのコミュニケーションシステムがどれほど複雑で、それによって彼らの思考プロセスがどれほど複雑であるかを知ることができます。なれ。たとえば、SETI 信号の条件付き確率が 20 次である場合、その信号は人為的なものであるだけでなく、地球上のどの言語よりもはるかに複雑な言語を反映することになります。送信する ETI 種の思考プロセスの複雑さを定量的に測定できます。

Lau​​rance R. Doyle は、イリノイ州エルサーにあるプリンシピア カレッジの形而上学研究所所長であり、カリフォルニア州マウンテン ビューにある SETI 研究所の量子天体物理学グループの主催者です。彼は NASA ケプラー ミッション サイエンス チームのメンバーであり、周連星ケプラー 16b (愛称「タトゥイーン」) を初めて直接検出したチームを率いていました。

この記事は最初に公開されました Nautilus Cosmos 2016 年 11 月。


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