Галактика содержит грубо сотню миллиардов звезд. Если даже очень маленькая доля их имеют планеты, которые служат домом технологическим цивилизациям, то вокруг нас должно существовать очень много таких цивилизаций. Если любая из этих цивилизаций порождает культуру, которая осуществляет межзвездную колонизацию даже на маленькой доле от скорости света, вся галактика должна быть колонизирована не более чем за несколько миллионов лет [1]. Так как Галактика имеет возраст в миллиарды лет, Земля должна быть посещена и заселена очень давно. М Фог (M.J. Fogg), например, полагает, что они должны были завершить заселение галактики еще до того, как наша жизнь вышла из океана [2]. Отсутствие любых очевидных свидетельств такого посещения - это парадокс Ферми. [Более справедливым наименование для него было бы парадокс Ферми-Харта (Fermi-Hart paradox), так как хотя Ферми считают первым, кто задал вопрос, Харт [1], был первым, кто сделала строгий анализ, показав, что проблема не тривиальна, а так же он был первым, кто издал эти свои результаты]

Существует множество разных предложений о решении парадокса Ферми, каждый из которых в той или иной мере неудовлетворительны [3]. Библиография их обсуждения может быть найдена в [4].

Прежде всего, предложены решения парадокса Ферми, отрицающие саму возможность существования инопланетных цивилизаций [1,5]. Но такое решение пока еще окончательно не обоснованно. Есть решения допускающие существование инопланетных технологических цивилизаций, но объясняющие, почему такие цивилизации, однако, не могут осуществлять колонизацию галактики. Эти объяснения включают, например, то, что такие цивилизации еще до ее начала погибают, сходят на нет, исчерпав ресурсы. Есть решения, доказывающие что они отказываются от колонизации, или выбирают колонизацию, но оставляют нас в стороне. Трудность всех таких объяснений в том, что все они должны принимать ненадежную однородность мотивов для всех внеземных цивилизаций, которое, к тому же, остаются в силе в течение очень длительного периода времени. Если всего одна единственная цивилизация все же выберет стратегию колонизации галактики, такое объяснение рушится. Поэтому было бы полезно попробовать найти решение парадокса Ферми, которое не полагалось на однородность мотивов.

Здесь я предлагаю еще одну модель решения проблемы, базирующуюся на предположении о длительной колонизации галактики, но такая колонизация происходит как бы методом "просачивания" (абсорбции, перколяции). В этом случае ее можно рассматривать как "проблему просачивания", хорошо известную в физике конденсированных сред (твердого тела). В этом случае, вместо того, чтобы принимать для всех внеземных цивилизаций однородные мотивы, эта гипотеза как раз опирается на разнообразные побудительных мотивов, полагая, что имеется смесь из цивилизаций заинтересованных в колонизации, и цивилизаций, заинтересованных в том, чтобы "оставаться дома".

2. Допущения

Данный анализ основывается на двух ключевых допущениях.

Первое допущение принимает, что межзвездные путешествия хотя и возможны, но очень трудны и поэтому существует максимальное расстояние, некий горизонт, в пределах которого колонии могут быть организованы прямым перелетом. Следовательно, для каждой звездной системы имеется только небольшое число N ближайших звезд, которые являются подходящими для колонизации в пределах разумной дистанции путешествия к ним. Любые колонии расположенные дальше, организовываются как вторичные колонии от первичных колоний.

Второе допущение состоит в том, что любое управление колонией со стороны родительской цивилизации будет в большинстве случаев крайне слабым, а срок, необходимый для того, чтобы у колонии развилась собственная способность к колонизации, будет долгим. Следовательно, каждая колония порождает собственную культуру, которая будет независима от культуры цивилизации, которая первоначально организовала ее. Я настаиваю на том, что эти допущения вполне разумны, основываясь на том, что мы сейчас знаем о межзвездных путешествиях со скоростями много меньших скорости света.

Путешествия на межзвездные расстояния не запрещены законами физики и несколько способов, которыми это можно осуществить, были в свое время предложены. Так как это возможно, то надо принять во внимание достаточно большое число инопланетных цивилизаций, из которых только одна или даже больше, может быть и взяли бы на себя обязательства быть от нас настолько далеко, чтобы мы ничего не узнали о их существовании. Но в любом случае колонизация галактики потребует чрезвычайно много времени и будет очень дорогим делом. Фримен Дайсон, например, оценивал стоимость одного из типов возможного межзвездного судна как сумму сопоставимую со стоимостью всего Валового Национального Дохода и оценивал время необходимое для достижения цели в 200 лет, если путешествие осуществляется на расстояние в 4 световых года [6]. Весьма разумно предположить, что не все цивилизации будут заинтересованы в создании столь гигантского расточителя, выгоды от которого если и возможны, то в отдаленном будущем. Так даже наша человеческая цивилизация состоит из смеси культур, некоторые из которых активно проводят исследования и колонизацию, а другие не имеют никакого интереса к этому [7].

Расстояния во многие световые годы между "домашней" системой и колонией гарантирует, что колония, обосновавшись, выстроит свою собственную культуру и цивилизацию. В течение многих сотен первых лет, которые должны будут пройти прежде, чем колония сама сможет строить свои собственные межзвездные корабли, культура и цивилизация этой колонии, со всей очевидностью, будет полностью независима от "метрополии".

Необходимо еще одно дополнительное условие. О том, что колония не может быть основана в уже колонизированном мире. Учитывая огромную сложность, а значит неправдоподобность вторжения через межзвездные расстояния, это выглядит вполне логичным условием.

Опираясь на эти условия, сформулируем "правило межзвездной абсорбции":
Культура может иметь намерения колонизировать соседние миры, а может не иметь таких намерений. Поэтому только цивилизация-колонизатор будет обосновывать новые колонии на любых свободных звездах в пределах свей досягаемости. Может случится, что в пределах горизонта досягаемости такая цивилизация уже не имеет незаселенных звезд, тогда ей придется развиваться на месте отказавшись от колонизации. В результате, для любой колонии существует вероятность P того, что она разовьется в цивилизацию-колонизатор и вероятность (1-P) что она разовьется в цивилизацию без колониальных устремлений.

3. Абсорбция

Проблема просачивания (перколяции) хорошо проанализирована в физике (смотри, например, ссылки [8] и [9]). При ее решении для каждого конкретного случая всегда существует критическое или пороговое значение вероятности просачивания P_С, которое зависит от размерности пространства (в нашем случае размерность 3) и его связанности N. Если P < P_С, то начатая цивилизацией колонизация всегда будет останавливаться после основания ею конечного числа колоний. Рост будет ограничиваться "кластерами", внешние границы каждого из которых, будут состоять ("блокироваться") цивилизациями-колониями без колониальных устремлений.
С другой стороны, при P > P_С кластеры будут расти неопределенно долго, стремясь заполнить собой весь бесконечный космос. Однако в нем небольшие пустоты все равно будут существовать, ограниченные ("сохраненные") кольцом не-колонизирующих цивилизаций. Вероятность, того, что любая взятая нами точка, будучи изолированной и незанята будет ~PN. Вероятность существования больших изолированных кластеров образованных незанятыми точками обратно пропорционально P. И наконец, существует критический режим абсорбции. Когда значение P близко к P_С. Области "просачивания" растут как фрактальные структуры нерегулярной формы. Тогда возникают как произвольно большие заполненные области, так и произвольно большие пустые регионы.

Схема 1 показывает типичный результат просачивания в этом, последнем, случае для кубического трехмерного массива с N=6. Для этого массива P_С=0.311. Показан результат симуляции для P=0.333, то есть слегка выше критического значения.

Схема 1. Один из срезов, возникший в результате симуляции процесса просачивания на простой кубической трехмерной решетке. Здесь N=6, P=1/3. Черные круги обозначаю колонизирующие цивилизации, серые - цивилизации, не проводящие колонизацию, отсутствие кружков - места никем не посещавшиеся. Ясно видна нерегулярная форма границ и наличие обширных пустот.

---

Поэтому, абсорбционное решение парадокса Ферми предполагает один из трех случаев, почему инопланетные колонизаторы не посетили Землю: Либо P < P_С и их колонизация быстро останавливается, P близко к P_С и тогда существуют произвольно большие области не подвергшиеся колонизации в одной из которых и расположена Земля, либо P_С > P и Земля расположена в одной из многочисленных маленьких незанятых островков-пустот.

Перед тем как мы сделаем оценку критических параметров N и P, следует подчеркнуть, что описанные выше основные свойства модели просачивания не зависят от конкретного значения параметров модели и деталей сделанных нами предположений.

Разумным предположением в случае колонизации, было бы допустить, что для колонизации подходят только те звезды, которые имеют спектральный класс не сильно отличающийся от Солнца, скажем от F8 до G9 и расположены в главной последовательности, при этом не являются двойными звездами. Из каталога Глейс (Gliese catalog) 1969-го года множество таких звезд вокруг Солнца состоит из 5 если брать дистанцию в 30 световых лет. Поэтому разумным допущением для N могло бы быть 5.

Нет никакой возможности сделать надежную оценку для P. В случае нашей собственной цивилизации кажутся вполне равновероятными три исхода. Мы можем уничтожить себя. Мы можем не уничтожить себя, но никогда не будем колонизировать космос. Но может случиться и так, что мы станем расширять границы своего присутствия в результате колонизацию космоса, пока это будет для нас возможным. Поэтому оценка 1/3 для каждого из трех случаев (а значит и для P) выглядит разумной. Очень интересно, что при таких значениях N и P возникает околокритическая картина просачивания колонистов по трехмерному пространству галактики и таким образом, процесс приводит к существованию в нашем скоплении звезд чрезвычайно больших "колонизированных" областей на ряду с такими же большими "пустыми" или "дикими" районами.

Можно было бы построить и более сложную модель звездной колонизации, основываясь на тех же самых принципах, включая в нее такие детали, как хаотическое расположение звезд, границу галактики, возможность многократной колонизации разными цивилизациями одной и той же звезды, и так далее. Но в целом не следует ожидать, что такая более детальная модель, сильно изменит общий результат, хотя детали, типа критическое значение вероятности, конечно же, претерпят изменения.

4. Критика

Как и в случае всех остальных решений парадокса Ферми, решение, базирующееся на теории абсорбции, тоже зависит от законности исходных предположений. Пока мы не исследовали Галактику или не вошли в контакт с инопланетными цивилизациями, все подобные предположения могут быть отвергнуты, однако, я утверждаю, что используемые здесь предположения вполне здравы, не столь всеобщи и менее ограничивающие, чем те, что вводятся другими исследователями парадокса. Критические предположения: (1) существует горизонт прямой досягаемости, (2) нет никакой реколонизации уже колонизированных звездных систем, (3) нет никакой культурной зависимости между колонией и породившей ее родительской цивилизацией, (4) колонизируются не все, а только ограниченное число подходящих звезд, которых всегда мало в пределах горизонта досягаемости.

В дополнение надо сказать, что данный набор предположений игнорирует дрейф звезд. Масштаб времени в течении которого позиции звезд могут значимо изменится порядка миллионов лет. Невозможно предсказывать социологию внеземных цивилизаций на таких интервалах времени. Разумно предположить, что цивилизация, которая просуществовала в течение миллионов лет без колонизации, окажется скорей всего устойчивой цивилизацией, которая не имеет никакого императива для колониальных устремлений.

Наконец, почему мы их не слышим (например, нет радиосигналов) или не встречаем их зонды-репликаторы [10]?

Одна из возможных причин, почему мы пока не перехватили радиопередач инопланетных цивилизаций в том, что SETI слушают в неправильном диапазоне частот. Изначально выдвинута аргументация, что SETI должно слушать в определенным образом выбранных диапазонах частот (например, в "водяном окне" и на кратных частотах). Но такой выбор очень сильно зависит от многих допущений по поводу психологии цивилизаций, которые действительно будут вести передачи. Так же, возможно, что подобные цивилизации не используют для связи радиоволны вообще, а пользуются гораздо более короткой частью электромагнитного спектра, а значит и более узконаправленные средства: лазеры [10]. Если размер передающей антенны не является нереалистично большим (в тысячи километров), то на межзвездных расстояниях подавляющая часть любого посланного сигнала теряется в пустом пространстве между звездами. Диаметр пятна у цели, созданного направленным лучом, пропорционален длине волны, и, следовательно, плотность мощности на таком расстоянии обратно пропорциональна корню из длины волны. Так, например, сравните мощность лазерного передатчика в 500 нм и микроволнового передатчика на 5 мм. Лазер имеет длину волны в 10⁴ раз короче и следовательно, в итоге, имеет в 10⁸ раз большую плотность энергии в пятне у звезды приемника, если мы примем одинаковую мощность для обеих передатчиков. Даже если информационная емкость ограничивается энергией фотона и таким образом скорость передачи информации линейно зависит от длины волны, лазерная связь все еще остается предпочтительней в 10⁴ раз.

Типлер (Tipler) утверждает, что инопланетная цивилизация заполнит галактику самовоспроизводящимися зондами, которые не будут ограничиваться горизонтом досягаемости. Так как мы пока не научились проектировать такие машины, трудно критически анализировать глубину таких рассуждений. Однако, я считаю, что самовоспроизводящиеся зонды могут оказаться намного более сложными в соей реализации, чем простые исследовательские зонды, например, настолько, насколько фабрика производящая автомобили сложней выпускаемого ею автомобиля. Если это так, то получить максимальное количество информации за любое конечное время (не важно в каком объеме) с использованием самовоспроизводящихся зондов - не лучшая стратегия. Оптимальная стратегия будет в том, чтобы на протяжении нескользкого числа поколений G производство, развернутое зондами-репликаторами изготоавливали простые исследовательские зонды вместо, самовоспроизводящихся. Число G будет зависеть от времени необходимого для воспроизводства, времени полета к цели, соотношения сложности тех и других видов зондов, и времени возвращения информации. Но время возвращения информации будет на несколько порядков меньше, чем время путешествия к цели, и вряд ли будет иметь большое значение.
 

---

References

1. Hart, M.H. "An Explanation for the Absence of Extraterrestrials on Earth," Q.J. R. Astr. Soc., Vol. 16, 128-135 (1975), reprinted in Extraterrestrials: Where Are They?, Michael H. Hart and Ben Zuckerman, eds., Pergammon Press, 1982.

2. Fogg, M.J. "Temporal Aspects of the Interaction among First Galactic Civilizations: The 'Interdice Hypothesis,'" Icarus 69, 370-384 (1987).
3. Brin, G.D. "The 'Great Silence': The Controversy Concerning Extraterrestrial Intelligent Life," Q.J. R. Astr. Soc., 24, 283-309 (1983).

4. Kuiper, T.B.H., and Brin, G.D. American Journal of Physics, 57, 13 (1989).

5. Tipler, F.J., "Extraterrestrial Intelligent Beings Do Not Exist," Physics Today, Apr. 1981, pp. 9 and 70-71; and associated commentary in Physics Today, Mar 1982, 26-38.

6. Dyson, F. "Interstellar Transport," Physics Today, Vol. 21, No. 10, 41-45 (Oct. 1968).

7. Papagiannis, M.D., "Section VII, The Fermi Paradox and Alternative Search Strategies," in The Search for Extraterrestrial Life: Recent Developments," International Astronomical Union, D. Reidel Publishing (1985).

8. Feder, J., Fractals, chapter 7: "Percolation," 104-148, Plenum Press, NY and London, 1988.

9. Stauffer, D. "Scaling Theory of Percolation Clusters," Phys. Reports, Vol. 54, No. 1, 1-74 (1979).

10. since the first presentation of this material, I have learned that optical searches for SETI have, in fact, been initiated under the direction of Stuart Kingsley. See Kingsley, S.A., "The search for extraterrestrial intelligence (SETI) in the optical spectrum: a review", Proc. of SPIE's Los Angeles Symposium, OE LASE '93, Vol. 1867, Los Angeles, California, January 21-22, 1993, pp. 75-113.

---

Page by Geoffrey A. Landis
Copyright 1998

Перевод А. Семенов, май 2009
Первоисточник

__________________________________________________ [ вверх ] [ оглавление ]

Оптимизирован под Internet Explorer 1024X768
средний размер шрифта
Дизайн A Semenov