[Перевод] Согласно новой теории цивилизации могут очень быстро распространяться по Вселенной
Поиск внеземного разума (SETI) всегда был сопряжён с неопределённостью. Имея в качестве примера только одну пригодную для жизни планету (Землю) и одну технологически развитую цивилизацию (человечество), учёные до сих пор ограничиваются лишь теоретическими предположениями о том, где могут находиться другие разумные формы жизни (и чем они могут заниматься). Шестьдесят лет спустя ответ на знаменитый вопрос Ферми («А где все?») так и остался без ответа. С другой стороны, это даёт нам много возможностей для выдвижения гипотез о возможных местах, видах деятельности и признаках наличия технологий, которые могут быть проверены будущими наблюдениями.
Одна из них заключается в том, что рост цивилизаций ограничен законами физики и несущей способностью планетарной среды — так называемая гипотеза перколяции. В недавнем исследовании группа специалистов из Филиппинского университета Лос-Банос вышла за рамки традиционной теории перколяции и рассмотрела возможность роста цивилизаций в трёх различных типах вселенных (статической, с преобладанием тёмной энергии и с преобладанием материи). Результаты исследования показывают, что в зависимости от типа Вселенной разумная жизнь имеет ограниченное количество времени для заселения Вселенной и, скорее всего, будет распространяться по экспоненте.
Исследование провели Аллан Л. Алинеа и Седрикс Джейк К. Джадрин, доцент кафедры физики и преподаватель Института математических наук и физики Филиппинского университета Лос-Банос. Препринт их работы «Перколяция «цивилизации» в однородной изотропной Вселенной» недавно появился в Интернете. В рамках своего исследования группа рассмотрела возможность интерпретации традиционной теории перколяции в терминах логистической функции роста (ЛФР), в которой темпы роста численности населения на душу населения становятся всё меньше по мере приближения численности населения к максимуму, обусловленному ограниченностью местных ресурсов (так называемая несущая способность).
Теория Большого взрыва: История Вселенной, начавшейся с сингулярности и расширяющейся с тех пор.
Теория перколяции
Вкратце, теория перколяции описывает поведение сетей при удалении из них узлов или связей, в результате чего они распадаются на более мелкие связанные кластеры. Первый известный случай применения этой теории к парадоксу Ферми, возможно, был сделан Карлом Саганом и Уильямом И. Ньюманом в 1981 году. В работе под названием «Галактические цивилизации: Динамика популяции и межзвёздная диффузия» они утверждали, что причина, по которой человечество не сталкивалось с внеземными цивилизациями (ВЗЦ), заключается в том, что освоение и заселение межзвёздного пространства не является линейным явлением.
В отличие от гипотезы Харта-Типлера, утверждающей, что развитые ВЦ давно бы колонизировали нашу галактику (а раз их не видно, следовательно, их не существует), Саган и Ньюман предположили, что освоение межзвёздного пространства происходит подобно диффузии. Джеффри Лэндис в своей работе 1993 года «Парадокс Ферми: подход, основанный на теории перколяции» утверждает, что законы физики накладывают ограничения на рост межзвёздного пространства. По мнению Лэндиса, от внеземных цивилизаций не следует ожидать «единообразия мотивов»:
«Поскольку это возможно, то при достаточно большом количестве внеземных цивилизаций одна или несколько обязательно предприняли бы такую попытку, возможно, по неизвестным нам мотивам. Колонизация займёт чрезвычайно много времени и будет стоить очень дорого. Вполне резонно предположить, что не все цивилизации будут заинтересованы в столь крупных затратах, которые окупятся в далёком будущем. Человеческое общество состоит из смеси культур, которые исследуют и колонизируют другие территории, иногда перемещаясь на очень большие расстояния, и культур, которые не заинтересованы в этом».
Аналогичным образом профессор Адам Франк и его коллеги из Нексуса НАСА по изучению экзопланетных систем (NExSS) в 2019 году написали работу под названием «Парадокс Ферми и эффект Авроры: Заселение, экспансия и устойчивое состояние экзоцивилизации». Вдохновившись романом «Аврора» Кима Стэнли Робинсона 2015 года, авторы утверждают, что межзвёздное расселение будет происходить в кластерах, поскольку не все потенциально пригодные для жизни планеты окажутся гостеприимными для инопланетного вида. Одним словом, законы физики, биологии и эволюции накладывают ограничения на то, как далеко и быстро вид может заселить нашу галактику.
Решите задачу для T и H
Чтобы описать эти ограничения, группа исследователей рассмотрела три основные космологические модели Вселенной: статическую, с преобладанием материи и с преобладанием тёмной энергии. Статическая Вселенная, первоначально описанная Эйнштейном и его космологической постоянной, является бесконечной в пространстве и времени и не расширяется и не сжимается. Вселенная с преобладанием материи описывает состояние Вселенной до 9,8 млрд лет после Большого взрыва, когда плотность энергии материи превышала плотность энергии излучения и плотность энергии вакуума.
Вселенная с преобладанием тёмной энергии описывает последний этап космической эволюции, начавшийся примерно 9,8 млрд лет назад и характеризующийся ускорением темпов расширения. Команда также рассмотрела все три сценария с точки зрения логистической функции роста, чтобы определить количество планет, заселяющих планету с течением времени. Из этого были получены два параметра исследования: T — время, необходимое для заселения сферического участка идеальной однородной и изотропной Вселенной, и H — параметр Хаббла, описывающий скорость космического расширения — так называемый закон Хаббла или закон Хаббла-Леметра.
Для статичной Вселенной было обнаружено, что расселение происходит в соответствии с ЛФР, подобно тому, как идут рост населения, распространение инфекционных заболеваний и химические реакции. Как отмечается в исследовании, эти динамические системы следуют общей закономерности, начиная с относительно медленного старта из-за ограниченности источников (в данном случае — пригодных для жизни планет). Но по мере того как они продолжают расширяться и приобретать новые источники, их количество увеличивается, и распространение ускоряется. Так продолжается до тех пор, пока количество источников не начнёт уменьшаться и/или элементы системы не будут исчерпаны.
К своему удивлению, команда обнаружила аналогичное поведение при рассмотрении Вселенной с преобладанием материи и тёмных энергий. Как сообщил доктор Алинеа по электронной почте изданию Universe Today.
«Примечательно, что при расширении самого пространства, как в темно-энергетической Вселенной и Вселенной с преобладанием материи, процесс расселения в большинстве случаев всё равно происходит по логистической функции роста. Мы не ожидали такого результата, поскольку система с расширяющимся пространством, как нам показалось, существенно отличается от статичной системы. Большинство известных нам исследований перколяции основаны на статической решётке (например, распространение лесного пожара, распространение болезни, распространение информации), где обычно наблюдается логистическое поведение роста. Наше исследование «расширяет» это поведение на случаи, когда решётка расширяется, как происходит с нашей Вселенной».
Этапы расчёта постоянной Хаббла.
Тем не менее, они обнаружили, что в расширяющейся Вселенной существует задержка в скорости заселения по сравнению со статичной. Для Вселенной с преобладанием тёмной энергии они обнаружили, что общее время заселения (T) меняется при достаточно большой скорости расширения (H). В соответствии с законом Хаббла, при достаточно большом значении H некоторые планеты уходят за горизонт и становятся «недосягаемыми». По сути, удалённые планеты могут удаляться быстрее скорости света, что делает маловероятным достижение их расширяющейся цивилизацией.
Они также обнаружили, что в тех случаях, когда сфера Хаббла (H) меньше, связь между T и H линейна — другими словами, T примерно равно H (T ~ H). Для Вселенной с преобладанием материи, согласно полученным данным, в тех случаях, когда H была столь же мала, действовала та же зависимость, но когда H становилась больше, зависимость существенно менялась и составляла T~ H2. В отличие от Вселенной с преобладанием тёмной энергии, T не растёт экспоненциально и не достигает бесконечности, если H не бесконечно. Алинеа сказал:
«Это интересно потому, что для Вселенной с преобладанием материи также характерен горизонт. Это означает, что для планет, находящихся достаточно далеко от опорной планеты в этой Вселенной, они удаляются со скоростью, превышающей скорость света, и создаётся впечатление, что они недостижимы. Однако для Вселенной с преобладанием материи, в соответствии с уравнением Фридмана, комовиальная сфера Хаббла сжимается, а не расширяется. Проще говоря, те планеты, которые удалены от опорной планеты в этой Вселенной (которые изначально «движутся» быстрее скорости света), «замедляются», что делает их достижимыми, по крайней мере, в принципе».
Ну и где же они все?
На основании полученных результатов группа исследователей пришла к выводу, что развитые цивилизации, как правило, следуют тенденции роста, который начинается медленно, но со временем набирает обороты, в конечном итоге замедляясь и останавливаясь по мере исчерпания числа «достижимых» планет. По словам д-ра Алинеа, «эта модель характеризуется трёхфазной схемой: медленный темп заселения → быстрый темп заселения → медленный темп заселения». Остаётся открытым вопрос: что это означает для известного вопроса Ферми? Как эта трёхфазная модель поможет нам уточнить поиск развитых цивилизаций, распространяющихся по галактике?
В связи с этим команда пришла к выводу, что в настоящее время наша галактика, возможно, находится на первой стадии, характеризующейся медленными темпами заселения. Это может быть связано с тем, что в настоящее время лишь несколько разумных, развитых цивилизаций занимаются межзвёздным расселением. «Эта медленная фаза может усугубляться большими расстояниями между «живыми» планетами. Но как только появится определённое число путешествующих цивилизаций, мы можем вступить во вторую фазу, характеризующуюся быстрыми темпами расселения. Если пройдёт достаточно времени после вступления в эту фазу, мы, наконец, сможем поздороваться с инопланетянами».
Как центр Млечного Пути виден из Чили. Ядро содержит очень старые звёзды, возникшие ещё в начале космической истории.
Более того, полученные результаты касаются возможности того, что человечество когда-нибудь станет межзвёздным видом, возможно, в качестве средства обеспечения дальнейшего выживания и развития нашего вида. Это представляет собой сложную задачу в условиях постоянно расширяющейся и ускоряющейся Вселенной, в которой доминирует тёмная энергия. Но, как резюмирует доктор Алинеа, варианты есть:
«При наличии технологий, позволяющих путешествовать со скоростью, близкой к скорости света, всё ещё сложно достичь любой планеты во Вселенной, особенно далёких планет. При этом существует сферический участок Вселенной с центром в нашей точке, планеты которого, по крайней мере в принципе, достижимы для возможного заселения. За его пределами находятся планеты, которые «удаляются» от нас со скоростью, превышающей скорость света, и могут быть недостижимы. К сожалению, эта сфера сжимается, поэтому участок Вселенной, который мы можем заселить, хотя и велик по человеческим масштабам, но со временем становится всё меньше и меньше».
«Если существует механизм, приводящий Вселенную в такое состояние, что скорость её расширения будет такой же или близкой к скорости расширения Вселенной с преобладанием материи, то нам повезёт, и мы получим Вселенную, которая в принципе может быть колонизирована на любом расстоянии от нас; то есть колонизация и влияние человека во Вселенной не ограничены никакими рамками, в отличие от Вселенной с преобладанием тёмных энергий.»
Таким образом, ответ на вопрос Ферми может заключаться в том, что развитые цивилизации находятся на ранней, медленной стадии расширения, которая (пока) не позволяет нам вступить в контакт. Но по мере расширения сферического объёма Хаббловского пространства (H), который мы могли бы занять, мы, скорее всего, окажемся достаточно близко к кому-то ещё, чтобы наконец понять, что мы не одиноки во Вселенной. Аналогичным образом, хотя тёмная энергия может ограничивать наши возможности (в пределах нашей галактики, не более), достаточный объём пространства позволит нам продолжить развитие и предотвратит один катаклизм, который унесёт все наши виды.
Кто знает? Возможно, космическое расширение не будет продолжаться так, как это происходило последние 4 млрд. лет, и Вселенная замедлится и достигнет своего рода гомеостаза — такого, в который предпочитал верить Эйнштейн. В этом случае наши сферы Хаббла могут продолжать расширяться неограниченно долго, а космические цивилизации будут пересекаться постоянно. Захватывающие перспективы, не правда ли?
