Есть ли во Вселенной разумная жизнь? И если да, то насколько она распространена? Или, возможно, вопрос должен звучать так: какова вероятность того, что те, кто занимается поисками внеземного разума (SETI), когда-нибудь столкнутся с ним?
На протяжении десятилетий ученые горячо обсуждали этот вопрос, и на эту тему было пролито немало чернил. Из множества статей и исследований, написанных на эту тему, выделились два основных лагеря: те, кто верит, что жизнь распространена в нашей галактике (оптимисты SETI), и те, кто утверждает, что внеземной разум либо редок, либо вообще не существует (пессимисты SETI).
В недавней статье Дэвид Киппинг (проф. "Крутые миры") и Герайнт Льюис более внимательно изучили эту дискуссию и предложили новый подход, основанный на методе вероятностного анализа, известном как эксперимент Джейн.
Применив этот метод к астробиологии и уравнению Дрейка, они пришли к выводу, что существование разумной жизни в нашей галактике может быть предположением "все или ничего". Как сказал покойный великий ученый и автор научной фантастики Артур Кларк: "Существуют две возможности: либо мы одни во Вселенной, либо нет. И то, и другое одинаково ужасно".
Киппинг - доцент астрономии Колумбийского университета и научный сотрудник обсерватории Гарвардского колледжа имени Карла Сагана. Он также является главным исследователем лаборатории Cool Worlds в Колумбийском университете, которая занимается изучением и характеристикой систем экзопланет. Герайнт Льюис - профессор астрофизики в Сиднейском институте астрономии, входящем в состав школы физики Сиднейского университета.
Их статья "Сталкиваются ли оптимисты SETI с проблемой точной настройки?" недавно была опубликована на сервере препринтов arXiv и рассматривается для публикации в Международном журнале астробиологии.
Уравнение Дрейка
В 1961 году знаменитый астроном Фрэнк Дрейк провел первое в истории SETI совещание в обсерватории Гринбанк в Западной Вирджинии. Готовясь к этому мероприятию, он составил уравнение, обобщающее проблемы, с которыми столкнулись исследователи SETI. Это стало известно как уравнение Дрейка и математически выражается как:
N = R* x fp x ne x fl x fi x fc x L
Где:
- N - число активных, общающихся цивилизаций в нашей галактике.
- R* - скорость образования звезд в нашей галактике.
- fp - доля звезд с планетами.
- ne - количество планет, на которые потенциально может приходиться жизнь, на каждую звезду, у которой есть планеты.
- fl - это доля из вышеперечисленных, в которых действительно развивается жизнь любого вида.
- fi - это доля из вышеперечисленных, в которых развивается разумная жизнь.
- fc - это доля из вышеперечисленных, в которых развивается способность к межзвездному общению.
- L - продолжительность активного существования таких коммуникативных цивилизаций.
Уравнение Дрейка было разработано не для оценки количества внеземных цивилизаций (ETC) в нашей галактике, а для стимулирования диалога о SETI. С тех пор, как Дрейк впервые сформулировал его, уравнение подвергалось критике, дополнениям и пересмотру и часто искажалось в процессе работы. Как проф. Киппинг объяснил Universe Today по электронной почте, что часть проблемы заключается в том, что значения часто произвольно применяются к параметрам:
"Поскольку мы не знаем большинства параметров, это всего лишь предположение, и его следует обозначить как таковое. Еще один момент, который часто упускают из виду, заключается в том, что он представляет среднее число цивилизаций и, следовательно, ожидаемое значение некоторого базового распределения.
"В наши дни критика уравнения Дрейка стала чем-то вроде спорта. Конечно, любой, кто использует его в качестве калькулятора, заслуживает справедливой критики, но основная идея не ошибочна. Должно существовать какое-то количество цивилизаций, и мы могли бы, в принципе, собрать соответствующие параметры для их расчета. Проблемы возникают в точной формулировке, какие параметры включать, что они на самом деле означают и как учитывать такие нюансы, как изменчивость во времени".
Эксперимент Джейнса
Эдвин Джейнс (1922-1998) был выдающимся профессором физики Уэймена Кроу в Вашингтонском университете в Сент-Луисе. В 1968 году он представил себе эксперимент, в котором человеку в лаборатории дают банку, содержащую неизвестное и немаркированное соединение (химикат X).
На лабораторном столе стоит большое количество мензурок, наполненных водой, и цель эксперимента - проверить, как часто химическое вещество X будет растворяться в них. Джейнс утверждал, что следует ожидать, что соединение будет растворяться либо почти всегда, либо почти никогда.
Если изобразить это на графике, то распределение вероятностей будет иметь форму чаши со значениями, равными 0 и 1. Как более подробно объяснил Киппинг:
"Джейнс представил серию экспериментов, которые мы называем экспериментами Бернулли, то есть экспериментов, которые дают ответы "да" и "нет". На самом деле это могло быть что угодно, но в качестве примера он представил, как растворяет неизвестное химическое вещество в серии мензурок с водой, а затем спрашивает — какая часть из них растворится?
Другой ученый, легендарный Джон Холдейн, уже предположил, что вероятность ответа в ~50% априори маловероятна. Следует ожидать, что либо почти все из них исчезнут, либо практически не останется.
Джейнс тщательно доказал это и впервые применил многие инструменты объективного байесовского вывода. Мы также можем заменить рассматриваемый эксперимент Бернулли другими вопросами, например, какая часть звезд превратится в черную дыру?
"До получения каких-либо наблюдений ответ в ~ 50% был бы неожиданным, подразумевая, что распределение звездных масс точно сбалансировано таким образом, что половина из них находится выше критического порога массы, а половина - ниже. На самом деле ответ один на тысячу, что соответствует позиции Джейна".
Из-за его огромного вклада в область статистики Джейнса считают одним из основателей "объективного байесианства". Хотя эксперимент Киппинга и Льюиса не был задуман как таковой, они увидели в нем потенциальное применение в астробиологии.
Все или ничего?
В своей основополагающей статье 1983 года "Великое молчание — споры о внеземной разумной жизни" Дэвид Брин обратился к продолжающимся дебатам о существовании внеземной жизни. Исходя из этого, он определил наличие двух лагерей, когда дело дошло до дебатов: "Контактных оптимистов" и "контактных пессимистов" — или, как Киппинг и Льюис называют их в своей статье, "Оптимистов SETI" и "пессимистов SETI" — тех, кто верит, что в нашей галактике существуют цивилизации человечества может вступить в контакт и с теми, кто считает это бесплодным, поскольку человечество одиноко во Вселенной.
Когда эксперимент Джейнса применяется к вопросу о разумной жизни в нашей галактике, мы должны ожидать, что она будет либо очень распространенной, либо очень редкой. В середине, где распределение вероятностей самое слабое (т.е. внеземная жизнь встречается редко), возникает "проблема тонкой настройки". В контексте космологии и астробиологии точная настройка относится к утверждению о том, что условия для жизни могут возникнуть только тогда, когда определенные универсальные константы находятся в очень узком диапазоне значений.
Если бы какая-либо из этих фундаментальных констант была немного иной, Вселенная не способствовала бы развитию материи, крупномасштабных структур или жизни в том виде, в каком мы ее знаем. Как объяснил Киппинг, это представляет проблему для оптимистов SETI:
"В отличие от примера с черными дырами, который я приводил ранее, у этой проблемы нет нижних границ. В случае черных дыр мы знаем наименьшую и наибольшую допустимую массу звезды из астрофизики, и она составляет всего несколько порядков величины. Порог для черных дыр должен находиться где-то в этом довольно узком диапазоне. Когда дело доходит до инопланетян, вероятность наличия у них разума может составлять 1% или 0,000....00001% (добавляйте столько нулей, сколько хотите).
"При таком широком спектре возможностей оптимистам SETI приходится верить в довольно надуманное мнение о том, что процентное значение не настолько велико, чтобы мы пока никого не увидели, но, безусловно, намного выше, чем глубокая пропасть низких вероятностей, которые являются правдоподобными. Таким образом, у них, по сути, возникает проблема тонкой настройки, поскольку им нужен процент, чтобы жить в довольно узком коридоре".
Если бы наша галактика была заполнена внеземными цивилизациями, наверняка были бы неоспоримые признаки, которые мы бы заметили — например, радиосигналы, мегаструктуры, полосы Кларка и другие "техносигналы". Если это начинает звучать знакомо, то это потому, что этот аргумент лежит в основе парадокса Ферми (о котором мы написали целую серию статей!) Таким образом, аргументы Киппинга и Льюиса можно рассматривать как пример пессимизма SETI. К счастью, на этом история не заканчивается.
Новый формализм
Столкнувшись с этим результатом, Киппинг и Льюис попытались разработать новый формализм для уравнения Дрейка, который учитывал бы только два процесса: рождаемость и смертность цивилизаций. Когда это будет сделано, все параметры в уравнении (за исключением L, продолжительности жизни цивилизаций) сведутся к одному параметру: коэффициенту рождаемости и смертности цивилизаций (rc). Или, как это будет выглядеть математически: NC = rc x LC. Сказал Киппинг:
"В стандартном уравнении Дрейка мы часто спорим о том, какие параметры включить (например, должна ли быть доля вероятности того, что жизнь разовьется в многоклеточную). Но совершенно неоспоримо, что у каждой цивилизации должны быть начало и конец, на самом деле мы даже можем установить уровень смертности равным нулю, что соответствует бесконечной продолжительности жизни, если мы того пожелаем в этих рамках.
"В такой экологической системе, как, например, чашка Петри, существует четко определенная максимально возможная популяция, которую мы называем пропускной способностью. Итак, мы обновили версию уравнения Дрейка, связанную с рождением и смертью, чтобы учесть этот нюанс".
В этом случае распределение вероятностей приобрело S-образную форму (см. изображение выше), но конечный результат остался тем же: галактика либо переполнена, либо пуста. Одним из способов обойти это является идея о том, что человечество могло бы жить в период, когда внеземные цивилизации появились и начинают распространяться по всей галактике и, таким образом, еще не были замечены нашими приборами. Однако, как показали Киппинг и Льюис, это также страдает от проблемы тонкой настройки, поскольку биология указывает на то, что рост популяции является ускоряющимся явлением.
"Видите ли, фазы галактического расширения должны происходить относительно быстро в космическом масштабе времени; на самом деле, они происходят в мгновение ока", - сказал Киппинг. "Таким образом, маловероятно, что вы доживете до такой фазы; более вероятно, что вы будете жить, когда галактика практически опустеет до того, как это произойдет, или после того, как это произойдет (что, на самом деле, возможно, невозможно, поскольку ваша планета колонизирована). И снова возникает парадокс Ферми, согласно которому наиболее вероятно, что человечество либо одиноко, либо рано пришло на вечеринку, либо является одной из немногих цивилизаций, существующих в настоящее время в Млечном Пути.
Надеетесь на SETI?
Но прежде чем вы начнете думать, что все это плохие новости, Киппинг и Льюис подчеркивают, что SETI - важный и жизненно важный эксперимент, который заслуживает выделения ресурсов. "Хотя шансы на успех кажутся небольшими, такой успех, возможно, стал бы самым впечатляющим научным открытием в истории человечества", - заключают они. Они также предлагают несколько причин сохранять надежду, в том числе гипотезу Хэнсона о "жадных инопланетянах", которая гласит, что человечество находится в средней точке S-образной кривой и что мы столкнемся с внеземной цивилизацией через несколько сотен миллионов лет.
В то же время Киппинг также предполагает, что SETI мог бы извлечь выгоду из расширения сети. Если, как предполагает их исследование, развитые цивилизации очень редки (или вообще отсутствуют) в нашей галактике, то нам следует обратиться к внегалактическим источникам.
"Я думаю, что мой любимый выход из положения заключается в том, что наша галактика просто необычайно тихая, большинство из них заняты и заполнены людьми, но мы первые в Млечном Пути", - добавил он. "Это кажется невероятным, но, возможно, родиться в оживленной галактике невозможно, поскольку пригодная для жизни недвижимость уже разграблена. Это говорит о том, что нам следует уделять больше внимания внегалактическому SETI, как нашему лучшему варианту".
