Одни во Вселенной… Ревизия уравнения Дрейка
Является ли человечество уникальным и одиноким в огромной Вселенной? Попытка подойти к решению этого вопроса с чисто математической точки зрения привела к появлению уравнения Дрейка, которое на протяжении вот уже полувека остается одним из наиболее трудноразрешимых и неопределенных в науке.
Формула, предложенная 55 лет назад американским астрофизиком Фрэнком Дрейком (Frank Drake), позволяет оценить возможное количество цивилизаций в нашей Галактике.
Только через 30 лет после появления этой формулы, в сентябре 1991 г., была открыта первая экзопланета. Полвека назад новая наука экзобиология, активно развивающаяся в наши дни, существовала в зачаточном состоянии. Понятно, что с учетом информации, полученной за последние два десятка лет, и открытия тысяч экзопланет знаменитое уравнение может быть переосмыслено и существенно модифицировано.
По мере расширения наших познаний о мире каждый из сомножителей формулы постепенно уточнялся, однако четыре последних продолжают оставаться «большими неизвестными» (причем три из них — скорее малыми, поскольку они явно должны быть существенно меньше единицы). Недавно в печати появилась работа, авторами которой стали профессор физики и астрономии Университета Рочестера Эдам Фрэнк (Adam Frank, University of Rochester, New York) и Вудрафф Салливан из отдела астрономии и астробиологии Университета штата Вашингтон (Woodruff Sullivan, Washington State University). Они утверждают, что недавние открытия экзопланет позволяют вычислить новое, эмпирически обоснованное значение вероятности существования в наше время, в прошлом или появления в будущем других технологически развитых цивилизаций как во всей Вселенной, так и в отдельных галактиках. В статье, опубликованной в журнале Astrobiology, также впервые определены понятия «пессимизм» и «оптимизм» применительно к рассуждениям о наших шансах обнаружить разумную жизнь за пределами Земли.
Вопрос о том, существуют ли развитые цивилизации где-либо еще во Вселенной, всегда упирался в присутствие в уравнении Дрейка минимум трех важных неопределенностей. Нам уже давно известно примерное количество звезд в обозримой Вселенной. Но мы не знаем, сколько из этих звезд являются родительскими для планет, которые могли бы быть пристанищем для жизни, не знаем, как часто эта жизнь может «одушевляться» (трансформироваться в разумную), и как долго длится процесс возникновения на обитаемой планете разумных жизненных форм. Вдобавок к этому, мы совершенно не обладаем информацией о продолжительности активного существования развитой цивилизации —от момента появления разумных существ до закономерного угасания.
Фрэнк вместе со своим коллегой попытались определить, насколько малой должна быть вероятность того, что разумные существа возникнут на конкретной обитаемой планете, чтобы наша цивилизация оказалась единственной во Вселенной. Это значение вероятности они назвали «линией пессимизма». Если фактическая величина сомножителя окажется большей, отсюда следует вывод о том, что наши «братья по разуму» действительно существуют… а скорее, они существовали в прошлом или появятся в будущем, уже после того, как человечество «сойдет с исторической арены».
Тот факт, что люди овладели элементарными технологиями примерно десять тысяч лет назад, на самом деле нельзя использовать для оценки продолжительности существования других цивилизаций (смогут ли они «продержаться» столь же долго или же намного дольше). Вместо того, чтобы спрашивать, сколько цивилизация «длится» во времени, мы задаем вопрос: являемся ли мы единственным технологически развитым видом, который когда-либо существовал? Это устраняет неопределенность времени в жизни цивилизации и позволяет нам решать то, что мы называем космическим археологическим вопросом, связанным с тем, насколько часто во Вселенной жизнь может переходить к разумным формам. Конечно, мы не имеем ни малейшего представления о том, насколько велика вероятность, что умные технологические виды будут развиваться на какой-либо обитаемой планете. Но с помощью метода, предложенного исследователями, мы можем точно сказать, как низка для нас вероятность того, чтобы оказаться единственной развитой цивилизацией, которую произвела Вселенная. Авторы назвали этот уровень «линией пессимизма». Если фактическая вероятность больше этой величины, то технологические виды и цивилизация, скорее всего, существовали и раньше.
Однако, даже исходя из предельного возраста для земной цивилизации в 10 тыс. лет (что не является слишком оптимистической оценкой), можно утверждать, что шансы существования подобного технологически развитого сообщества еще где-нибудь во Вселенной достаточно высоки. К сожалению, нас почти наверняка отделяет от этого «где-нибудь» миллионы световых лет, и столько же лет (но уже земных) будет идти только в одну сторону предполагаемый сигнал от разумных существ, обитающих на другой планете…
Использовав новые данные об известных на данный момент экзопланетах, ученые экстраполировали их на все звезды в обозримой Вселенной и сделали вывод, что разумная цивилизация, скорее всего, должна быть уникальной в космосе только тогда, когда шансы ее развития на обитаемой планете меньше 10-22. Но это, увы, означает, что эпоха других высокотехнологичных интеллектуальных цивилизаций уже в прошлом. «До появления нашего результата вы бы считали себя пессимистом, узнав, что вероятность эволюции цивилизации на обитаемой планете равна единице на триллион. Но даже это предположение означает, что то, что произошло с человечеством здесь, на Земле, по сути, произошло еще примерно на 10 миллиардах планет в другое время в течение всей истории космоса!» — прокомментировал итоги своих исследований Эдам Фрэнк.
Для небольших объемов пространства цифры оказываются не столь экстремальными. Применительно к галактике Млечный Путь вероятность возникновения и эволюции развитой цивилизации на одной из обитаемых планет оценивается в единицу на 60 миллиардов. Но если эти величины с точки зрения «оптимиста» представляются весьма высокими, то Салливан указывает, что оригинальное уравнение Дрейка для сегодняшнего дня дает значения, больше соответствующие «пессимистическим».
Благодаря специализированной космической обсерватории Kepler и множеству наземных телескопов уже известно, что примерно пятая часть исследованных звезд имеют планеты в «зонах обитаемости», где температура на поверхности допускает существование там жидкой воды. Таким образом, с выяснением природы одной из главных неопределенностей в уравнении Дрейка особых проблем не ожидается. Диаметрально противоположная и, на первый взгляд, неразрешимая, ситуация складывается с оценкой числа планет, где действительно возникла жизнь. Фрэнк также признал, что ученые не имеют никаких представлений о возрастных параметрах внеземных цивилизаций (последний сомножитель): «Тот факт, что возраст земной цивилизации можно оценить примерно в 10 тыс. лет, на самом деле не говорит нам, что другие будут существовать хотя бы так же долго или больше».
Мы не имеем ни малейшего представления о том, сколько может «продержаться» технологическая цивилизация, подобная нашей — 200, 500 или десятки тысяч лет? Ответ на этот вопрос лежит в основе всех наших опасений по поводу устойчивости человеческого общества. Неужели мы — первая и единственная цивилизация такого типа за всю историю Вселенной? А если нет — как мы можем узнать что-нибудь о прошлых взлетах и падениях других видов и как это знание способно нам помочь?
Изменения климата, вызываемые вмешательством человека, загрязнение океанов и исчезновение биологических видов могут, по мнению некоторых ученых, привести к краху цивилизации, в то время как другие утверждают, что по политическим или экономическим причинам мы должны позволить промышленности развиваться без ограничений. Благодаря новым данным о Земле и других планетах очень скоро ответы на эти вопросы будут получены научным путем.
В своей работе Фрэнк и Вудрафф призывают к созданию новой исследовательской программы, которая поможет поместить будущее человечества в широкий астрономический контекст, взглянуть на нашу текущую ситуацию «со стороны», определив природные эволюционные пути технологических цивилизаций.
Используя теорию динамических систем, авторы наметили стратегию SWEIT для моделирования траекторий развития «видов с энергоемкими технологиями» в процессе их эволюции. Модели показывают, как эти пути связаны со взаимодействием разумного вида и его «домашней» планеты. Поскольку население растет (как и поребление энергии), состав планеты и ее атмосферы на длительных временных отрезках может изменяться.
Изучение потенциальной обитаемости экзопланет преподнесет важные уроки нашей цивилизации. Эта «астробиологическая перспектива» изображает устойчивость развития как функцию способности конкретной планеты поддерживать жизнь. Хотя устойчивость обычно связана с определенной формой жизни, астробиологи поднимают более важный вопрос: как определить ее для любой формы жизни на любой планете и на любом произвольно взятом отрезке времени?
Мы пока не знаем, как сравнить другие возможные формы жизни с теми, которые мы уже успели изучить на Земле. Но для определения среднего времени их существования, по мнению Фрэнка, этого и не нужно. Если они используют и преобразуют энергию — они производят энтропию. Не имеет значения, являются ли они антропоморфными существами из «Звездного пути» с антеннами на головах или одноклеточными организмами, обладающими коллективным сверхразумом: создаваемая ими энтропия будет оказывать такое мощное влияние на характеристики планеты, что мы сможем заметим это с помощью наземных инструментов.
Смещение акцента с проблемы неопределенности времени существования разумной жизни позволяет перейти к решению другого вопроса из области своеобразной «космической археологии»: как часто в истории Вселенной жизнь эволюционировала до того состояния, которого она достигла на Земле? Для этого Фрэнк и Салливан занялись вычислением шансов земной цивилизации оказаться уникальной за всю историю нашего мира (определением значения вероятности для «линии пессимизма»). Расчеты проводились как для всей
Вселенной, так и для сотни миллиардов звезд нашей Галактики.
В итоге исследователи пришли к новой формулировке уравнения Дрейка, в которой из него исключен неизвестный параметр L — время жизни высокоразвитой цивилизации. Полученное уравнение Фрэнка-Салливана позволяет вычислить, сколько таких цивилизаций могло зародиться и эволюционировать в течение всего времени существования наблюдаемой Вселенной. Целесообразность такого подхода ученые объясняют тем, что в последнее время количество открытых экзопланет резко возросло, и более того — в некоторой степени прояснилась ситуация со степенью заполнения ими «зон обитаемости». Такая модификация формулы Дрейка позволила определить параметр, получивший обозначение Nast. Формула может быть использована при анализе всей Вселенной или отдельных ее фрагментов — например, нашей Галактики.
Дальнейшие выводы могут быть скорее поводом для пессимизма, хотя они неплохо объясняют знаменитый «парадокс Ферми». Даже если бы тысячи цивилизаций существовали в пределах Млечного Пути, при возрасте Вселенной около 13,7 млрд лет и временем существования каждой из них порядка 10 тыс. лет все они, скорее всего, уже исчезли, а возникновение следующих откладывается на эпоху после исчезновения нашей цивилизации. «Учитывая огромные расстояния между звездами и ограниченную скорость света, мы никогда не смогли бы даже мечтать о «разговоре» с другой цивилизацией, — констатировал Фрэнк. — Если она удалена от Земли на 20 тыс. световых лет, то минимальный обмен приветствиями растянулся бы на целых 40 тыс. лет».
Как указывают ученые, даже если в нашей Галактике не найдется инопланетных партнеров для дружеского общения, полученный ими результат, несомненно, имеет глубокое научное и философское значение: «В фундаментальной перспективе нами получен ответ на крайне волнующий все человечество вопрос — существовала ли на Земле цивилизация до нашей? Мы впервые обосновали его эмпирически, причем весьма удивительно то обстоятельство, что нам удалось очертить временные и пространственные рамки существования подобной развитой цивилизации».
Результат исследований имеет и определенное практическое применение. Поскольку земная цивилизация сталкивается с кризисами устойчивого развития и изменениями климата, нас постоянно беспокоят вопросы о том, испытывали ли цивилизации на других планетах подобные проблемы и как они их преодолевали. Имея в своем арсенале вычисления Фрэнка и Салливана, ученые могут применить все свои знания о планетах и климатических сдвигах для моделирования взаимодействия разумных существ с их родными мирами, зная, что большая выборка подобных событий в прошлом уже реализовалась. «Земная цивилизация не является уникальной и единственной во Вселенной. К остальным случаям можно отнести многие высокотехнологичные энергоемкие цивилизации, способные решать обратные задачи — влиять на свои родительские планеты по мере эволюции. Это значит, что мы можем начать исследовать эту проблему с помощью моделирования, чтобы получить представление о том, какие процессы ведут к становлению долгоживущих цивилизаций и какие этому препятствуют», — подытожил свой комментарий Эдам Фрэнк.
Таким образом, сократив семь сомножителей в уравнении Дрейка до двух, ученые пришли к выводу, что человеческая цивилизация уникальна в наблюдаемой части Вселенной только в том случае, если вероятность возникновения разумной жизни на пригодной для этого экзопланете равна десяти в степени -22. Относительно нашей родной Галактики можно сказать, что появление технологической цивилизации на обитаемой планете должно реализоваться с вероятностью один шанс на 60 миллиардов. Если проведенные расчеты точны, то в данный момент в пределах Млечного Пути человечество остается единственной разумной расой, но раньше здесь существовали и другие. Новые же цивилизации появятся только после «заката» человечества, или же ему придется найти способ просуществовать невероятно долго для того, чтобы с ними встретиться.
Но, напомним, все вышеизложенные выводы получены лишь в результате статистических оценок данных. Поэтому вероятность того, что в нашем ближайшем галактическом окружении в данный момент существует и развивается цивилизация, контакт с которой состоится «при жизни человечества хоть и исчезающе мала, но все же отлична от нуля.
Источник
Уравнение Дрейка: поиск внеземного разума
Не так давно на нашем ресурсе «4brain.ru» был опубликован материал под названием «Парадокс Ферми», в котором затрагивался вопрос существования во Вселенной инопланетных разумных цивилизаций. Но если там сама эта возможность ставилась под сомнение, то здесь мы рассмотрим формулу, которая нередко служит опровержением вышеназванного парадокса. Эта формула называется уравнением Дрейка.
Некоторые общие данные
Начать стоит с того, что существует особый проект под общим названием «SETI» (аббревиатура от Search for Extraterrestrial Intelligence).В него входят различные проекты и мероприятия, направленные на поиск внеземных цивилизаций и вступление в контакт с ними. Проект существует уже несколько десятков лет (с 1959 года), практически с того момента, когда провёл свой первый эксперимент американский астроном Фрэнк Дрейк. Поиски «SETI» основаны на прослушивании радиоволн, которые могут посылать другие цивилизации из глубин космоса. Сам же Дрейк уже тогда считал это показателем высокотехнологического общества, а также наиболее приемлемым и разумным средством для поиска внеземных форм жизни.
Вероятность обнаружения любого сигнала на расстоянии свыше 500 световых лет практически равна нулю, т.е. 500 световых лет – это тот предел, в радиусе которого современные технологии могут вообще найти какой-либо радиосигнал. Из этого следует, что так называемое «Великое безмолвие», которое постоянно обнаруживают радиотелескопы, ещё не говорит о том, что иная жизнь во Вселенной не является возможной. И более высокие шансы на утверждение чего-либо с более менее солидной долей уверенности могут появиться лишь в случае, если земные «приёмники» смогут увеличить диапазон принятия сигнала ещё хотя бы на 900 световых лет.
В середине прошлого века человечество имело на эту тему ещё меньше данных. Однако уже в то время, когда советский космонавт Юрий Гагарин стал первым из людей, побывавших на орбите Земли (1961 год), Фрэнк Дрейк разработал своё уравнение, позволяющее приблизительно оценить количество возможных инопланетных цивилизаций в нашей галактике, называемой «Млечный путь». Это уравнение основывается на методах обнаружения электромагнитных импульсов.
Уравнение Дрейка
Уравнение Дрейка формулируется следующим образом:
N = R * Fp * Ne * Fl * Fi * Fc * L, где:
N – число разумных цивилизаций, которые готовы к вступлению в контакт
R – число звёзд, появляющихся в течение года в галактике «Млечный путь»
Fp – процент звёзд, которые имеют планеты на своих орбитах
Ne – среднее число планет и их спутников, условия которых подходят для зарождения жизни
Fl – вероятность появления жизни на подходящей для этого планете
Fi – вероятность появления разумных форм жизни на планетах, где вообще возможна жизнь
Fc – соотношение количества планет, на которых разумные формы жизни способны на контакт и ищут его, к числу планет, на которых вообще есть разумные формы жизни
L – время, в течение которого разумная жизнь существует, может вступить в контакт и хочет этого
Анализ уравнения Дрейка
Рассматривая уравнение Дрейка, становится очевидным тот факт, что значение N не может быть точно определено. К тому же, если двигаться по уравнению слева направо, оценки всех величин становятся всё более абстрактными. Однако это уравнение не должно оцениваться лишь числами. Некоторые исследователи убеждены, что данная формула есть лишь способ некоторой организации человеческого невежества. И если рассматривать гипотезу существования внеземного разума с сугубо математической точки зрения, то возможность получить ответ на вопрос о количестве инопланетных цивилизаций существенно ограничивается. Величина L является наиболее важной во всём уравнении. Человек не может знать, сколько способна просуществовать технологически развитая цивилизация. И даже если предположить, что инопланетная цивилизация всего одна, и существует на протяжении миллиардов лет или вообще вечность, то этого будет достаточно, чтобы приравнять в уравнении N и L.
Но заниматься поисками внеземного разума лишь посредством прослушивания радиоволн было бы ошибочным. Благодаря развитию астробиологии и космологии восприятие человеком космоса и путей развития иных форм жизни сильно изменилось. В начале существования «SETI» его специалисты пророчили стремительное развитие земных радиотехнологий и рост радиообмена, но связь «точка-тире-точка» поблекла на фоне спутников, направляющих к Земле свои сигналы, а акцент в телекоммуникациях сместился с радио на волоконную оптику для Интернет-трафика и кабельного ТВ, а значит, каких-либо серьёзных радиосигналов с Земли не будет поступать ещё минимум сотню лет.
Другим слабым местом формулы является количество планет, на которых могут развиваться разумные формы жизни. Предположительно, их количество должно быть в пределах 10 тысяч в нашей галактике. Но в настоящее время никаких подтверждений тому, что существует какой-либо основополагающий принцип, который мог бы направить первичную субстанцию на путь развития в Homo Sapiens. И этот вопрос останется без ответа, пока не будут найдены подтверждения жизни хотя бы на одной планете Солнечной системы.
Помимо прочего, в уравнении Дрейка не берутся во внимание и такие показатели, как возраст самой галактики и химико-механические параметры, например наличие определённых элементов, необходимых для формирования планет и зарождения жизни. Согласно мнению некоторых специалистов, уравнение Дрейка подразумевает не Вселенную, которая постоянно находится в динамике, но особое космологическое постоянство.
В формуле присутствуют величина приблизительного числа планет типа Земли, но не приведены оценки того, когда на этих планетах появляются разумные формы жизни. Огромный возраст нашей галактики и вероятность того, что разумная жизнь на её планетах могла присутствовать и 2 и 4,5 миллиарда лет назад, но уже могла угаснуть, не дают практически никакого пространства для обнаружения радиоволн.
На сегодняшний день астрономы отыскали уже примерно две тысячи внесолнечных планет. А общее количество звёзд, подобных Солнцу, может составлять свыше 40%. Но многие планеты являются слишком большими и находятся на орбитах очень близко к «своим» звёздам. Эти планеты называют «Горячими Юпитерами». Однако по прогнозам учёных, если улучшить методы поиска, то можно будет найти планеты меньшего размера и с более подходящими орбитальными характеристиками. Плюс к этому, за последние двадцать лет исследований удалось выяснить, что в Млечном пути могут существовать миллиарды планет, на которых возможна жизнь, способная существовать в экстремальных условиях, например, при повышенном содержании углекислого газа, на глубине до 10 000 метров и даже в серной кислоте.
Но, несмотря на «огрехи», уравнение Дрейка очень сильно повлияло на мышление людей. Главным образом, оно послужило отправной точкой для возникновения астробиологической науки. Выдающийся американский астрофизик Карл Саган высоко оценил то, что уравнение показало высокий процент обнаружения разумной внеземной жизни. А не так давно, в 2010 году, итальянский астроном Клаудио Макконе опубликовал свою версию уравнения Дрейка – статистическое уравнение Дрейка, которое является более сложным, но и более надёжным. С помощью новой формулы Макконе смог определить, что только в пределах Млечного пути может существовать 4 590 внеземных цивилизаций, что более чем на 1000 превышает число, которое получалось в классическом варианте уравнения. Коме этого, новая формула показала, что помимо человеческой цивилизации может быть ещё до 15 785 других, обладающих высокими технологиями.
Но даже если бы различные галактические сообщества находились на одном и том же расстоянии друг от друга, средняя его величина составила бы 28 845 световых лет, что делает невозможным любой контакт между этими сообществами, пусть и осуществлялся бы он с помощью электромагнитного излучения, перемещающегося со скоростью света. И даже если бы такое количество цивилизаций и существовало, межзвёздная связь между ними испытывала бы очень серьёзные технологические проблемы.
На самом деле уравнение Дрейка подлежит скрупулёзному и детальному изучению, и, не являясь специалистом в соответствующей области, довольно сложно толком разобраться, что к чему. Но нашей целью было отнюдь не исчерпывающее объяснение уравнения, а лишь указание на то, что к вопросу существования внеземного интеллекта учёные всего мира подходят более чем серьёзно и это имеет весьма веские основания.
Источник