Ученые ответили, почему у нас до сих пор нет контактов с инопланетянами.
Парадокс Ферми
В 1950 году итало-американский физик Энрико Ферми сел обедать со своими коллегами в Лос-Аламосской национальной лаборатории, где он работал в течение пяти лет в рамках Манхэттенского проекта.
По разным данным, разговор зашел об инопланетянах и недавней волне НЛО. По этому поводу Ферми сделал заявление, которое вошло в анналы истории: "Где все?“
Это стало основой парадокса Ферми, который указывает на несоответствие между оценками высокой вероятности существования внеземного разума (ETI) и очевидным отсутствием доказательств.
Со времен Ферми было предложено несколько решений его вопроса, которые включают в себя вполне реальную возможность того, что межзвездная колонизация следует основному правилу теории перколяции. Одно из ключевых предположений, лежащих в основе парадокса Ферми, состоит в том, что, учитывая обилие планет и возраст Вселенной, продвинутая экзоцивилизация, должно быть, уже колонизировала значительную часть нашей галактики.
Это, конечно, не лишено смысла, учитывая, что одна только галактика Млечный Путь (которой более 13,5 миллиардов лет) имеет, по оценкам, от 100 до 400 миллиардов звезд.
Другое ключевое предположение состоит в том, что разумные виды будут заинтересованы в колонизации других звездных систем в рамках естественного желания исследовать и расширить границы своей цивилизации.
И последнее, но не менее важное: предполагается, что межзвездные космические путешествия будут возможны и даже практичны для развитой экзоцивилизации.
Но это, в свою очередь, сводится к предположению, что технический прогресс обеспечит решение величайшей проблемы межзвездных путешествий.
Короче говоря, количество энергии, необходимое космическому кораблю для перемещения от одной звезды к другой, недопустимо велико, особенно когда речь идет о больших космических кораблях с экипажем.
Относительность-суровая хозяйка
В 1905 году Эйнштейн опубликовал свою основополагающую работу, в которой он разработал свою Специальную теорию Относительности. Это была попытка Эйнштейна примирить законы движения Ньютона с уравнениями электромагнетизма Максвелла, чтобы объяснить поведение света.
Эта теория по существу утверждает, что скорость света (помимо того, что она постоянна) является абсолютным пределом, за которым объекты не могут двигаться.
Это суммируется известным уравнением E=mc2, которое иначе известно как “эквивалентность массы и энергии“. Проще говоря, эта формула описывает энергию (Е ) покоящейся частицы как произведение массы (м ) на квадрат скорости света-приблизительно 300 000 км/с. Следствием этого является то, что по мере приближения объекта к скорости света его масса неизменно увеличивается.
Поэтому, чтобы объект достиг скорости света, необходимо затратить бесконечное количество энергии на его ускорение. Как только она будет достигнута, масса объекта также станет бесконечной.
Короче говоря, невозможно достичь скорости света, не говоря уже о том, чтобы превысить ее. Таким образом, за исключением какой-то колоссальной революции в нашем понимании физики, двигательная установка со сверхсветовой скоростью никогда не может существовать.
Таковы последствия жизни в релятивистской вселенной, где путешествие даже со скоростью, равной доле скорости света, требует огромного количества энергии. И хотя некоторые очень интересные и новаторские идеи были созданы на протяжении многих лет физиками и инженерами, которые хотят сделать межзвездные путешествия реальностью, ни одна из концепций экипажа не является тем, что вы могли бы назвать "экономически эффективным"."
Фундаментальный вопрос
Это поднимает очень важный философский вопрос, связанный с парадоксом Ферми и существованием инопланетян. Это не что иное, как принцип Коперника, названный в честь знаменитого астронома Николая Коперника.
Чтобы уничтожить его, этот принцип является продолжением аргумента Коперника о Земле, что она не находится в уникальном и привилегированном положении для наблюдения Вселенной. Распространенный на космологическую сферу, принцип в основном гласит, что при рассмотрении возможности разумной жизни не следует предполагать, что Земля (или человечество) уникальна.
Точно так же этот принцип утверждает, что вселенная, какой мы ее видим сегодня, является представителем нормы, то есть находится в состоянии равновесия. Противоположная точка зрения, согласно которой человечество находится в уникальном и привилегированном положении для наблюдения за Вселенной, известна как антропный принцип.
Короче говоря, этот принцип гласит, что сам процесс наблюдения Вселенной за признаками жизни и разума требует, чтобы законы, управляющие ею, способствовали развитию жизни и разума.
Если мы примем принцип Коперника в качестве руководящего принципа, мы будем вынуждены признать, что любой разумный вид столкнется с теми же проблемами в межзвездном полете, что и мы.
И поскольку мы не предвидим способа обойти их, кроме крупного прорыва в нашем понимании физики, возможно, ни один другой вид не нашел его.
Не в этом ли причина "Великого молчания"?
Происхождение
Идея о том, что расстояние и время могут быть фактором (в связи с парадоксом Ферми), получила много внимания с течением времени. Карл Саган и Уильям Ньюман в своем исследовании 1981 года "Галактические цивилизации: динамика населения и межзвездная диффузия" предположили, что инопланетные сигналы и зонды, возможно, просто еще не достигли Земли. Это было встречено критикой со стороны других ученых, которые утверждали, что это противоречит принципу Коперника.
По собственным оценкам Сагана и Ньюмана, время, которое потребуется инопланетянам, чтобы исследовать всю галактику, равно или меньше возраста самой нашей галактики (13,5 миллиарда лет). Если зонды или сигналы экзоцивилизации до нас еще не дошли, это будет означать, что разумная жизнь начала зарождаться в более недавнем прошлом.
Другими словами, галактика находится в состоянии неравновесия, переходя из необитаемого состояния в обитаемое.
Однако это был Джеффри А. Лэндис, который привел, пожалуй, самый убедительный аргумент об ограничениях, налагаемых законами физики.
В своей статье 1993 года "Парадокс Ферми: подход, основанный на теории перколяции", он утверждал, что в результате теории относительности экзоцивилизация сможет расширяться только до определенного предела по всей галактике. Центральным аргументом Ландиса была концепция математической и физической статистики, известная как" теория перколяции", которая описывает, как ведет себя сеть при удалении узлов или связей.
Согласно этой теории, при удалении достаточного количества связей в сети она распадается на более мелкие связанные кластеры.
По мнению Ландиса, тот же процесс полезен для описания того, что происходит с людьми, вовлеченными в миграцию.
Короче говоря, Лэндис предположил, что в галактике, где разумная жизнь статистически вероятна, не будет “единообразия мотивов " среди внеземных цивилизаций. Вместо этого его модель предполагает широкий спектр мотиваций: одни предпочитают выходить и колонизировать, в то время как другие предпочитают " оставаться дома."
Как он это объяснил? "Поскольку это возможно, учитывая достаточно большое количество внеземных цивилизаций, одна или несколько наверняка попытались бы это сделать, возможно, по неизвестным нам причинам. Колонизация займет очень много времени и будет очень дорогой.“
“Разумно предположить, что не все цивилизации будут заинтересованы в таких больших расходах. Человеческое общество состоит из смеси культур, которые исследуют и колонизируют, иногда на очень больших расстояниях, и культур, которые не заинтересованы в этом.“
Подводя итог, можно сказать, что продвинутые виды не будут колонизировать галактику быстро и последовательно. Вместо этого он будет "просачиваться" наружу на конечное расстояние, где возрастающие издержки и отставание между коммуникациями накладывают ограничения, а колонии развивают свои собственные культуры.
Таким образом, колонизация не будет однородной, а будет происходить в кластерах с большими территориями, остающимися неколонизированными в любой данный момент времени. Аналогичный аргумент был выдвинут в 2019 году Адамом Франком и командой исследователей экзопланет Nexus for Exoplanetary Systems Science (NExSS) НАСА. В исследовании под названием " Парадокс Ферми и эффект Авроры: Заселение, экспансия и стабильные состояния экзоцивилизаций“ они утверждали, что заселение галактик также будет происходить в кластерах, потому что не все потенциально обитаемые планеты будут благоприятны для колонизации.
Конечно, модель Лэндиса содержит некоторые собственные предположения, которые он высказал заранее.
Во-первых, было предположение, что межзвездные путешествия затруднены из-за законов физики и что существует максимальное расстояние, на котором колонии могут быть непосредственно установлены. Следовательно, цивилизация будет колонизировать только на разумном расстоянии от своего дома, за пределами которого вторичная колонизация произойдет позже. Во-вторых, Ландис также делает предположение, что родительская цивилизация будет иметь мало власти над любыми колониями, которые она создает, и время, необходимое им для развития своих собственных колонизационных способностей, будет очень долгим. Следовательно, любая созданная колония в конечном итоге будет развивать свою собственную культуру, и ее люди будут иметь чувство себя и идентичности, отличное от того, что было у родительской цивилизации.
Как мы выяснили в предыдущей статье, используя современные технологии, потребуется от 1000 до 81 000 лет, чтобы достичь Проксимы Центавра (4,24 световых года).
Хотя существуют концепции, которые допускают релятивистское перемещение (которое составляет долю скорости света), время путешествия все еще может варьироваться от нескольких десятилетий до более чем столетия. Более того, стоимость будет чрезвычайно высока.
Но переселение колонистов в другую звездную систему-это только начало.
После того, как они заселят соседнюю обитаемую планету (и не вымрут) и получат инфраструктуру для межзвездной связи, потребуется восемь с половиной лет, чтобы отправить сообщение на Землю и получить ответ. Это просто непрактично для любой цивилизации, надеющейся сохранить централизованный контроль или культурную гегемонию над своими колониями.
Космос-дорогое удовольствие
Чтобы представить ситуацию в перспективе, рассмотрим затраты, связанные с историей освоения человеком космоса. Отправка астронавтов на Луну в рамках программы "Аполлон" в период с 1961 по 1973 год обошлась в колоссальные 25,4 миллиарда долларов, что сегодня составляет около 150 миллиардов долларов (с поправкой на инфляцию).
Но Аполлон не появился из ниоткуда, и первые проекты Меркурий и Близнецы были необходимы как ступени.
Эти две программы, которые вывели на орбиту первых американских астронавтов и позволили им получить необходимый опыт полета на Луну, обошлись примерно в 2,3 миллиарда долларов и 10 миллиардов долларов (с поправками) соответственно.
Сложите их все вместе, и вы получите в общей сложности около 163 миллиардов долларов, потраченных с 1958 по 1972 год.
Для сравнения, проект "Артемида", который вернет астронавтов на Луну впервые с 1972 года, обойдется в 35 миллиардов долларов всего за следующие четыре года.
Это не включает в себя затраты на доведение всех различных компонентов до этой стадии, таких как разработка SLS, космическая капсула Orion и исследования лунной базы, система посадки человека и робототехника миссии.
Это большие деньги, чтобы добраться до единственного спутника Земли. Но это ничто по сравнению с затратами на межзвездные полеты!
Отправляешься в космос?
С самого начала космической эры было сделано много теоретических предложений по отправке космических аппаратов к ближайшим звездам.
В основе каждого из этих предложений лежала одна и та же забота: сможем ли мы достичь ближайших звезд в нашей жизни?
Чтобы справиться с этой задачей, ученые разработали ряд передовых двигательных стратегий, которые позволили бы космическому аппарату разгоняться до релятивистских скоростей.
Из них самым простым был проект "Орион" (1958-1963), основанный на методе, известном как ядерно-импульсный двигатель (ЯИЭ).
Этот проект, возглавляемый Тедом Тейлором из General Atomics и физиком Фрименом Дайсоном из Института перспективных исследований Принстонского университета, предполагал создание огромного космического корабля, который использовал бы взрывную силу, создаваемую ядерными боеголовками, для создания тяги.
Эти боеголовки будут выпущены за космическим кораблем и взорваны, создавая ядерные импульсы. Они будут поглощены установленной сзади прижимной пластиной (также известной как "толкатель"), которая преобразует взрывную силу в поступательный импульс. Несмотря на свою неэлегантность, система была чрезвычайно проста и эффективна, и теоретически могла достигать скорости до 5 процентов скорости света (5,4 × 107 км/ч, или 0,05 с).
Увы, цена. Согласно оценкам, сделанным Дайсоном в 1968 году, космический корабль "Орион" будет весить от 400 000 до 4 000 000 тонн.
По самым скромным подсчетам Дайсона, стоимость строительства такого корабля также оценивается в 367 миллиардов долларов (2,75 триллиона долларов с поправкой на инфляцию). Это примерно 78 процентов годового дохода правительства США на 2019 год и 10 процентов ВВП страны.
Другой идеей было создание ракет, использующих термоядерные реакции для создания тяги.
В частности, концепция термоядерного двигателя была исследована Британским межпланетным обществом в период с 1973 по 1978 год в рамках технико-экономического обоснования, известного как проект "Дедал".
В результате был разработан двухступенчатый космический аппарат, который будет генерировать тягу путем плавления гранул дейтерия / гелия-3 в реакционной камере с помощью электронных лазеров.
Это создало бы высокоэнергетическую плазму, которая затем была бы преобразована в тягу магнитным соплом.
Первая ступень космического аппарата продлится чуть более 2 лет и разгонит космический аппарат до 7,1% скорости света (0,071 с). Затем эта ступень будет выброшена, а вторая ступень возьмет управление и разгонит космический корабль примерно до 12 процентов скорости света (0,12 с) в течение 1,8 года.
После этого двигатель второй ступени будет остановлен, и корабль войдет в 46-летний период плавания.
По оценкам проекта, миссии потребуется 50 лет, чтобы достичь звезды Барнарда (менее 6 световых лет). С поправкой на Проксиму Центавра один и тот же корабль может совершить путешествие за 36 лет.
Но в дополнение к технологическим барьерам, выявленным проектом, были также задействованы чистые затраты.
Даже по скромным меркам концепции без экипажа, полностью заправленный "Дедал" будет весить до 60 000 тонн при стоимости более 5,2 триллиона долларов (оценки 2012 года). С поправкой на 2020 год цена полностью собранного "Дедала" составит около 6 триллионов долларов. Icarus Interstellar, международная организация добровольных гражданских ученых (основанная в 2009 году), с тех пор попыталась возродить эту концепцию с помощью проекта Icarus.
Еще одна смелая и смелая идея-это Движение антиматерии, которое будет основано на аннигиляции материи и антиматерии (частиц водорода и антиводорода).
Эта реакция высвобождала столько же энергии, сколько и термоядерный взрыв, а также ливень субатомных частиц (пионов и мюонов). Эти частицы, которые затем будут двигаться со скоростью, равной трети скорости света, направляются магнитным соплом для создания тяги.
К сожалению, стоимость производства даже одного грамма антиматериального топлива оценивается примерно в 1 триллион долларов.
Согласно отчету Роберта Фрисби из Группы передовых двигательных технологий (NASA Eagleworks), двухступенчатой ракете с антиматерией потребуется более 815 000 тонн топлива, чтобы совершить путешествие к Проксиме Центавра примерно за 40 лет.
Более оптимистичный отчет доктора Даррелл Смит и Джонатан Уэбби из Университета аэронавтики Эмбри-Риддла утверждают, что космический корабль весом 400 тонн и 170 тонн топлива из антивещества может двигаться со скоростью 0,5 скорости света.
При таких темпах корабль сможет достичь Проксимы Центавра чуть более чем за 8 лет, но нет никакой экономики, нет эффективного способа сделать это, и не будет никаких гарантий.
Во всех случаях топливо составляет большую часть общей массы этого понятия. Для решения этой проблемы были предложены варианты, способные генерировать собственное топливо.
В случае термоядерных ракет есть прямоточный реактивный двигатель Буссарда, который использует огромную электромагнитную воронку, чтобы "вычерпать" водород из межзвездной среды и магнитные поля, чтобы сжать его до точки, где происходит термоядерный синтез.
Точно так же существует ВакуумАнтиматерия межзвездной космической системы (ВАРИАЦИИ), которая также создает собственное топливо из межзвездной среды. Предложенный Ричардом Обуси из Icarus Interstellar, ВАРИАЦИОННЫЙ космический аппарат будет полагаться на большие лазеры (питаемые огромными солнечными панелями), которые будут создавать частицы антивещества при запуске в пустое пространство.
Увы, ни одна из этих идей не возможна при современных технологиях, и они не относятся к сфере экономической эффективности.
В сложившихся обстоятельствах и за исключением нескольких крупных технологических разработок, которые позволили бы сократить связанные с этим расходы, было бы справедливо сказать, что любая идея межзвездных полетов с экипажем просто непрактична.
Отправка зондов к другим звездам в течение нашей жизни все еще находится в пределах возможного, особенно тех, которые полагаются на направленное движение энергии (DEP).
Как показывают такие предложения, как Breakthrough Starshot или Project Dragonfly, эти паруса могут быть ускорены до релятивистских скоростей и иметь все необходимое оборудование для сбора изображений и основных данных о любых экзопланетах на орбите.
Однако такие зонды являются потенциально надежным и экономически эффективным средством межзвездных исследований, а не колонизации. Более того, временная задержка, связанная с межзвездной связью, все еще будет накладывать ограничения на то, как далеко эти зонды могут исследовать, продолжая сообщать на Землю.
Поэтому экзоцивилизация вряд ли будет посылать зонды далеко за пределы своей территории.
Критика
Возможная критика теории перколяции заключается в том, что она допускает множество сценариев и интерпретаций, которые позволили бы контакту произойти в этот момент.
Если мы предположим, что разумному виду потребуется 4,5 миллиарда лет, чтобы появиться (время между образованием Земли и современным человеком), и примем во внимание, что наша галактика существует уже 13,5 миллиарда лет, то есть окно в 9 миллиардов лет.
В течение 9 миллиардов лет многие цивилизации могли приходить и уходить, и хотя ни один вид не мог колонизировать всю галактику, трудно представить, что эта деятельность останется незамеченной.
При таких обстоятельствах можно сделать вывод, что помимо того, что они ограничивают возможности цивилизации, здесь действуют и другие ограничивающие факторы.
Однако важно напомнить себе, что ни одно предлагаемое решение парадокса Ферми не является полным без определенных дырок. Более того, ожидать, что теория или теоретик будут иметь все ответы на такой сложный вопрос (но с недостаточными данными), как существование инопланетян, примерно так же нереалистично, как ожидать последовательности в поведении самих инопланетян
В общем, эта гипотеза очень полезна, так как она разрушает многие допущения, присущие “факту А".
Это также логическая отправная точка для ответа на главный вопрос. Почему мы ничего не слышали о пришельцах? Потому что нереально сделать вывод, что они должны были колонизировать лучшую часть галактики к настоящему времени, особенно когда законы физики (как мы их знаем) исключают это.
Напомним, что ранее сообщалось, что ученые предположили существование скромных инопланетян
