Поиски внеземного разума (SETI) всегда сопровождались неопределенностью. Имея в качестве примеров только одну обитаемую планету (Земля) и одну технологически развитую цивилизацию (человечество), ученые все еще ограничиваются теоретизированием о том, где могут находиться другие разумные формы жизни (и чем они могут заниматься).
Шестьдесят лет спустя ответ на знаменитый вопрос Ферми («Где все?») остается без ответа.
С другой стороны, это дает множество возможностей выдвинуть гипотезу о возможных местах, деятельности и техносигнатурах, которые смогут проверить будущие наблюдения.
Одна из возможностей заключается в том, что рост цивилизаций ограничен законами физики и несущей способностью планетарной среды – т.е. тем, о чем говорит Теория перколяции.
В недавнем исследовании команда ученых из Филиппинского университета в Лос-Баносе вышла за рамки традиционной теории перколяции и рассмотрела, как цивилизации могут расти в трех различных типах Вселенных (статической, с доминированием темной энергии и с доминированием материи). Их результаты показывают, что, в зависимости от модели, разумная жизнь имеет ограниченное количество времени, чтобы заселить космическое пространство, и, вероятно, будет делать это экспоненциально.
Для своего исследования ученые рассмотрели, как традиционную теорию перколяции можно интерпретировать в терминах логистической функции роста (LGF), где темпы роста населения на душу населения становятся меньше по мере приближения численности населения к максимуму, определяемому ограничениями местных ресурсов (иначе говоря, пропускной способностью).
Теория перколяции
Вкратце, теория перколяции описывает, как ведут себя сети при удалении узлов или связей, при этом они разбиваются на более мелкие связанные кластеры.
Первый известный пример применения этой теории к парадоксу Ферми, возможно, был сделан Карлом Саганом и Уильямом Ньюманом в 1981 году.
В статье под названием «Галактические цивилизации: динамика населения и межзвездная диффузия» они утверждали, что причина, по которой человечество не встретило внеземных цивилизаций связана с тем, что межзвездные исследования и заселение не являются линейными явлениями.
В отличие от гипотезы Харта-Типлера, которая утверждает, что развитые внеземные цивилизации давно бы колонизировали нашу галактику (следовательно, они не существуют), Саган и Ньюман постулировали, что межзвездные исследования являются вопросом диффузии.
Исследователь Джеффри Лэндис высказал те же самые взгляды в своей статье 1993 года «Парадокс Ферми: подход, основанный на теории перколяции», где утверждал, что законы физики налагают ограничения на межзвездный рост.
По его словам, от внеземных цивилизаций не следует ожидать «единства мотивов»:
«Поскольку это возможно, учитывая достаточно большое число внеземных цивилизаций, одна или несколько наверняка предприняли бы это, возможно, по неизвестным нам мотивам. Колонизация займет чрезвычайно много времени и обойдется очень дорого.
«Вполне разумно предположить, что не все цивилизации будут заинтересованы в таких больших затратах ради окупаемости в далеком будущем. Человеческое общество состоит из смеси культур, которые исследуют и колонизируют, иногда на чрезвычайно больших расстояниях, и культур, которые не заинтересованы в этом».
Аналогичным образом, профессор Адам Франк и его коллеги из Nexus for Exoplanetary Systems Science (NExSS) НАСА в 2019 году написали статью под названием «Парадокс Ферми и эффект Авроры: заселение, расширение и устойчивые состояния экзоцивилизаций».
Вдохновленные романом Кима Стэнли Робинсона «Аврора» 2015 года, они утверждали, что межзвездное заселение будет происходить скоплениями, поскольку не все потенциально обитаемые планеты будут гостеприимны для инопланетных видов. То есть, законы физики, биологии и эволюции накладывают ограничения на то, насколько далеко и быстро тот или иной вид может заселить нашу галактику.
Решение для времени и постоянной Хаббла
Чтобы определить эти ограничения, команда рассмотрела три основные космологические модели Вселенной, включая статическую, с преобладанием материи и с преобладанием темной энергии.
Статическая Вселенная, первоначально описанная Эйнштейном и его космологической постоянной, бесконечна в пространстве и времени, не расширяется и не сжимается.
Вселенная, в которой доминирует материя, описывает состояние Вселенной до 9,8 миллиардов лет после Большого взрыва, времени, когда плотность энергии материи превышала как плотность энергии излучения, так и плотность энергии вакуума.
Вселенная, в которой доминирует темная энергия, описывает последнюю фазу космической эволюции, которая началась примерно 9,8 миллиардов лет назад и характеризуется ускоренной скоростью расширения.
Ученые также рассмотрели все три сценария с точки зрения функции логистического роста, чтобы определить количество планет, заселенных со временем.
Из этого команда получила два параметра своего исследования: T, время, необходимое для формирования сферической части идеальной Вселенной, которая является одновременно однородной и изотропной, и H — постоянная Хаббла, которая описывает скорость космического расширения — или закон Хаббла (Хаббла-Леметра).
Ученые обнаружили, что в статической Вселенной заселение следует за LGF, подобно тому, как происходит рост населения, распространение инфекционных заболеваний и химические реакции. Как они отметили в своем исследовании, эти динамические системы следуют общей схеме, начиная с относительно медленного старта из-за ограниченности источников (в данном случае обитаемых планет).
Но поскольку они продолжают расширяться и приобретать новые источники, их количество увеличивается, а распространение ускоряется. Это продолжается до тех пор, пока количество источников не начнет сокращаться и/или элементы системы не исчерпаются.
К своему удивлению, команда отметила аналогичное поведение, глядя на Вселенную, в которой доминирует материя и темная энергия.
«Примечательно, что когда само пространство расширяется, как во Вселенных, где доминирует темная энергия и материя, процесс заселения, по большей части, все еще следует функции логистического роста. Мы не ожидали такого результата, потому что система с расширяющимся пространством казалось нам совершенно отличной от статической системы.
«Большинство известных нам исследований распространений основаны на статической решетке (например, распространение лесных пожаров, распространение болезней, распространение информации), где обычно наблюдается поведение логистического роста. Наше исследование «распространяет» это поведение на случаи, когда решетка расширяется, как наша Вселенная».
Тем не менее, ученые обнаружили, что в расширяющейся Вселенной существует задержка с точки зрения скорости расселения по сравнению со статической. Для Вселенной, в которой доминирует темная энергия, общее время (T) было отмечено расхождением для достаточно большой скорости расширения (H). В соответствии с законом Хаббла, когда H достаточно велика, некоторые планеты расширятся за горизонт и станут «недосягаемыми».
По сути, далекие планеты могут удаляться быстрее, чем скорость света, что делает маловероятным, что расширяющаяся цивилизация когда-либо достигнет их.
Ученые также обнаружили, что в тех случаях, когда сфера Хаббла (H) была меньше, соотношение между T и H было линейным – другими словами, T было примерно равно H (T ~ H). Их результаты показали, что для Вселенной, в которой доминирует материя, там, где H была мала, применялось то же соотношение, но где H становилась больше, соотношение значительно менялось до T ~ H2.
По сравнению со Вселенной, в которой доминирует темная энергия, T не увеличивалась экспоненциально и не достигала бесконечности, если только H не была бесконечным.
«Это интересно, потому что Вселенная, в которой доминирует материя, также характеризуется горизонтом. Это означает, что для планет, достаточно удаленных от эталонной планеты в этой Вселенной, они удаляются со скоростью, превышающей скорость света, создавая впечатление, что они недостижимы.
«Однако для вселенной, в которой доминирует материя, в соответствии с уравнением Фридмана, сопутствующая сфера Хаббла сжимается, а не расширяется. Проще говоря, те планеты, которые находятся далеко от эталонной планеты в этой Вселенной (которые изначально «движутся» быстрее скорости света) «замедляются», что делает их достижимыми, по крайней мере, в принципе».
Итак… Где же они?
На основе своих результатов ученые определили, что развитые цивилизации, как правило, будут следовать тенденции роста, которая начинается медленно, но со временем будет набирать обороты, в конечном итоге замедляясь и останавливаясь по мере исчерпания числа «достижимых» планет.
Остается вопрос: что это означает для извечного вопроса Ферми? Как эта трехфазная модель поможет нам в поиске развитых цивилизаций, распространяющихся по галактике?
Здесь ученые приходят к выводу, что наша галактика в настоящее время может находиться в фазе I, характеризующейся медленными темпами заселения. Это может быть связано с тем, что сейчас лишь несколько разумных, развитых цивилизаций занимаются межзвездным заселением.
«Эта медленная фаза может усугубляться большими расстояниями между «живыми» планетами. Но как только будет достигнуто определенное количество путешествующих цивилизаций, мы можем войти в фазу II, характеризующуюся быстрым темпом заселения. Если после входа в эту фазу будет достаточно времени, мы, наконец, сможем поздоровайтесь с инопланетянами».
Более того, их результаты показывают возможность того, что человечество когда-нибудь станет межзвездным видом, возможно, в качестве средства обеспечения дальнейшего выживания и развития нашего вида. Это представляет собой проблему в постоянно расширяющейся и постоянно ускоряющейся Вселенной, в которой доминирует Темная Энергия. Но, как говорят ученые, есть варианты:
«При наличии достаточного количества технологий, позволяющих путешествовать со скоростью, близкой к скорости света, по-прежнему сложно достичь любой планеты во Вселенной, особенно отдаленных планет. Сказав это, можно сказать, что в этой Вселенной существует сферическая область с центром в нашем местоположении, планеты которой достижимы, по крайней мере в принципе, для возможного заселения. За пределами этого находятся планеты, которые «удаляются» от нас со скоростью, превышающей скорость света, и могут быть недоступны. К сожалению, эта сфера сжимается, поэтому часть Вселенной, в которой мы можем обитать, хотя и велика по человеческим меркам, со временем становится все меньше и меньше».
«Если существует механизм, приводящий Вселенную в такое состояние, при котором скорость ее расширения будет такой же или аналогичной скорости расширения Вселенной, в которой доминирует материя, тогда нам бы посчастливилось иметь Вселенную, которая, в принципе, может быть колонизирована на любом расстоянии от нас; то есть колонизация и влияние человека во Вселенной не ограничены какой-либо сферой, в отличие от Вселенной, где доминирует темная энергия».
Подводя итог, можно сказать, что ответ на вопрос Ферми может заключаться в том, что развитые цивилизации находятся на ранней, медленной фазе расширения, которая (пока) не позволяет нам установить контакт.
Но по мере того, как сферический объем пространства Хаббла, который мы могли бы занять, расширяется, у нас больше шансов подобраться достаточно близко к кому-то еще, чтобы наконец узнать, что мы не одиноки во Вселенной.
Точно так же, в то время как Темная энергия может ограничивать то, как далеко мы можем дотянуться (в пределах нашей галактики, не намного дальше), достаточный объем пространства позволил бы нам продолжать развиваться и мог бы предотвратить единый катаклизм, который унес бы жизни всего нашего вида.
И кто знает? Возможно, космическое расширение не будет продолжаться так, как последние 4 миллиарда лет, и Вселенная замедлится и достигнет своего рода гомеостаза – того типа, в который предпочитал верить Эйнштейн.
В этом случае наши сферы Хаббла могут продолжать расширяться бесконечно, и не будет недостатка в смешении космических цивилизаций. Это действительно открывает некоторые захватывающие перспективы.