|
Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес
оригинального документа
: http://cmm.univer.omsk.su/seti/4-2-2-k.htm
Дата изменения: Tue Apr 7 14:16:00 1998 Дата индексирования: Mon Oct 1 19:32:23 2012 Кодировка: koi8-r Поисковые слова: п п п |
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ЖИЗНИ ВО ВСЕЛЕННОЙ
УДК 524.8
В.С. Троицкий
НАУЧНЫЕ ОСНОВАНИЯ ПРОБЛЕМЫ СУЩЕСТВОВАНИЯ И ПОИСКА ВНЕЗЕМНЫХ ЦИВИЛИЗАЦИЙ
Проблема, о которой идет речь, поставлена человечеством тысячелетия назад, но дальше гипотезы о множественности обитаемых миров и религиозной догмы об уникальности и единственности земной цивилизации изучение этой проблемы в то время продвинуться не могло. Идеи множественности обитаемых миров придерживались передовые мыслители тех времен, расплачиваясь за отрицание господствовавших религиозных представлений о мире своей жизнью. Но никакие гонения и даже костер инквизиции, испепеливший тело Джордано Бруно, не смогли уничтожить ростки нового понимания роли и места человека во Вселенной.
Только теперь проблема существования и поиска жизни во Вселенной стала доступной для научного исследования. Отличительной особенностью этой проблемы является то, что в ней синтезируются все научные дисциплины, созданные человечеством. Таким образом, дифференциация науки, идущая по мере углубления знаний, здесь уступает место интеграции всевозрастающего числа дисциплин.
В настоящей статье мы попытаемся сформулировать экспериментальные и теоретические основы исследования проблемы существования и поиска жизни во Вселенной.
1. НАУЧНЫЕ ОСНОВАНИЯ СУЩЕСТВОВАНИЯ ЖИЗНИ И ЦИВИЛИЗАЦИЙ ВО ВСЕЛЕННОЙ
В настоящее время вся совокупность наук человеческой цивилизации позволяет сделать неопровержимый вывод о возможности и большой вероятности существования жизни, в том числе разумной, в подходящих для этого местах Вселенной, в частности в нашей Галактике [1-5].
Физика и астрофизика установили факт тождественности физических законов во всей видимой части Вселенной. Астрономия показала, что Солнце и наша Галактика по различным параметрам являются рядовыми "средними" объектами Вселенной среди множества им подобных.
Однако пока не удалось непосредственно увидеть планетные системы даже у ближайших к нам звезд из-за далеко недостаточных возможностей существующих телескопов. В настоящее время, по-видимому, получены лишь косвенные указания на существование у ближайших звезд планетных систем. Наблюдаемые периодические колебания положения звезд Барнарда, е-Эридана, 61 Лебедя и др. могут быть объяснены единственным образом - существованием достаточно больших юпитероподобных невидимых спутников звезды, т.е. планет.
Для того чтобы возникла жизнь, необходимо наличие определенных атомов. Все живое состоит в основном из водорода, кислорода, азота, углерода и незначительного количества более тяжелых элементов от фосфора и кальция до железа. Эти элементы, как сейчас установлено астрофизикой, возникли в недрах первичных звезд, состоявших из водорода и гелия. Элементы тяжелее водорода образовывались в недрах звезд первичного поколения при их сжатии благодаря вспыхивавшей термоядерной реакции. Затем следовали взрыв, сброс оболочки звезды и образование звезд вторичного поколения с планетами вокруг них, что привело к созданию множества мест, богатых необходимыми элементами и их соединениями.
Органические соединения на образовавшихся планетах могли возникать в ходе последующего теплового процесса в истории развития планет. Суть этого процесса в разогреве недр планеты вследствие радиоактивного распада урана, тория и калия-40 и в выносе на поверхность горячих расплавленных масс. Взаимодействие с водой могло привести к образованию сложных органических соединений, послуживших основой для возникновения живой клетки.
Вопрос происхождения органических соединений получил новое освещение, когда совершенно неожиданно радиоастрономические методы позволили обнаружить в туманностях около 50 различных, в том числе органических, соединений, содержащих более десятка атомов в молекуле. Были обнаружены соединения, являющиеся основой белков живых организмов.
Есть основания полагать, что в этих туманностях идет интенсивное звездообразование и вполне возможно, что образуются планеты с уже подготовленными органическими соединениями, которые вовсе не обязательно должны разрушаться в процессе конденсации планет.
Космология довольно надежно установила пути эволюции вещества во Вселенной от нуклеосинтеза тяжелых атомов до образования неорганических соединений. Но науке пока совершенно не ясен переход от неживых органических соединений к живым, т.е. способным к самовоспроизведению по определенному рецепту - генетическому коду. Этот переход к высшей организации вещества остается темным местом в цепи общей эволюции материи.
Сказанное об эволюционном развитии вещества во Вселенной по современным представлениям можно изобразить в схематическом виде (рис. 1).
Все изложенные аргументы современной науки в пользу существования множества обитаемых миров приведены в табл. 1.
Таким образом, наука проследила отдельные отрезки пути эволюции от элементарных частиц до живого разумного существа.
2. ПРОБЛЕМА ПОИСКА ЖИЗНИ ВО ВСЕЛЕННОЙ
Итак, современная наука позволяет сделать вывод о возможности зарождения жизни и ее развития до разумных существ во многих местах Вселенной на подходящих планетах подходящих звезд в нашей Галактике и в других галактиках. Гипотеза о возникновении жизни и ее эволюционном развитии на внесолнечных планетах так и будет гипотезой, если не сделать следующего шага, заключающегося в экспериментальном исследовании. Радикальным способом экспериментального решения вопроса было бы непосредственное исследование окрестностей звезд с помощью автоматических и обитаемых кораблей, развивающих скорость, сравнимую со скоростью света. Однако это вряд ли будет осуществлено раньше, чем через два-три столетия, и то только для ближайших к Солнцу звезд. Прямое исследование сейчас возможно только для тел Солнечной системы. В ближайшее время будет точно установлено, имеются ли какие-либо простейшие формы жизни на околосолнечных планетах и их спутниках. Это будет важным достижением науки.
Таким образом, для поиска жизни около других звезд можно рассчитывать лишь на дистанционные исследования, что исключает, по крайней мере в обозримом будущем, всякую возможность обнаружения простейших форм, в том числе и разумных форм жизни, не вступивших на путь технического развития.
Оставаясь в рамках земной науки, т.е. реального научного подхода, можно говорить о поиске и обнаружении жизни лишь в форме развитых цивилизаций разумных существ, вступивших на путь технологического развития.
Вместе с внеземными цивилизациями (ВЦ) несомненно должны существовать и низшие формы, о которых мы сможем узнать от ВЦ в случае ее обнаружения и установления хотя бы односторонней связи. Установление двусторонней связи будет иметь какую-либо значимость только для небольших расстояний, исчисляемых, вероятно, лишь десятками световых лет. Каким же способом осуществлять дистанционный поиск ВЦ?
3. ПУТИ ПОИСКА СВИДЕТЕЛЬСТВ ЖИЗНИ ВО ВСЕЛЕННОЙ
Более двадцати лет назад в журнале "Nature" Дж. Коккони и Ф. Моррисон обратили внимание на тот факт, что при современном состоянии радиотехники возможно установление двусторонней радиосвязи между цивилизацией в нашей Галактике. Но для этого обоим корреспондентам нужно знать длину волны, направление посылки и приема радиосигналов и время связи. Заслугой авторов работы явилось предположение, что для связи следует выбрать волну 21 см, потому что она должна быть известна всем цивилизациям как излучение нейтрального межзвездного водорода. На этой волне человечеством непрерывно ведутся радиоастрономические исследования распределения водорода в Галактике и других галактиках, что повышает вероятность случайного обнаружения излучения, посылаемого какой-либо ВЦ на длине волны 21 см с целью обратить на себя внимание и получить ответные сигналы.
После этой работы немедленно начался поиск таких сигналов с помощью существовавших уже к тому времени больших радиотелескопов. Поиск основывался на предположении, что может существовать цивилизация с достаточно большим возрастом в технологической фазе, которая раньше нас начала подавать сигналы в космос.
Вообще говоря, поиск разумной жизни во Вселенной базировался на предположении о существовании взаимного желания, по крайней мере у некоторых цивилизаций, найти друг друга.
Естественно, возникает вопрос: не могут ли быть другие, более прочные, неизбежные физические пути получения информации о существовании цивилизаций, не зависящие от их желания искать себе подобных? В итоге двадцатилетних теоретических исследований проблемы поиска ВЦ предложен и частично изучен ряд возможных путей получения информации, свидетельствующей о существовании ВЦ. Рассматривался следующий ряд неизбежных проявлений существования ВЦ в космическом масштабе.
Рассмотрим эти возможности. Наиболее детально исследован способ обнаружения по непреднамеренному радиоизлучению, указанный впервые И.С. Шкловским [1]. Такое излучение может создавать телевидение, локация и внутренняя связь в пределах зоны расселения около своей звезды. Оказалось, например, что излучение несущей частоты земного телевидения может быть обнаружено средствами приема, которыми владеет земная цивилизация, с расстояния до 10 св. лет, а излучение мощных локаторов с расстояния до 30 св. лет. Для существенного увеличения дальности требуются приемные антенны в десятки и сотни километров, что в принципе вполне реализуемо. Обнаружение несущей частоты земного телевидения позволит по характеру изменения частоты за счет эффекта Доплера определить все параметры земного шара, направление оси и скорость собственного вращения, диаметр планеты, период обращения вокруг Солнца, наличие у Земли естественного спутника — Луны, и даже характер распределения населения по поверхности Земли [6] .
Межзвездные перелеты способами, известными в настоящее время, требуют огромной энергии. Даже разгон до децисветовой скорости небольшой автоматической ракеты, например по проекту "Дедал", для полета к звезде Барнарда требует 1018 — 1019 Вт в течение одного - двух лет разгона и такого же торможения. Поскольку при работе такого двигателя происходит выброс плазмы в пространство со скоростью, равной 0,2 с (с - скорость света), и с магнитным полем 10-4 - 10-5 Гс, то неизбежно возникает синхротронное радиоизлучение, которое может быть замечено современными средствами, по-видимому, на расстояниях около 100 св.лет. Однако количественный расчет излучения и возможностей его приема пока ждут своего детального исследования.
Если говорить о кораблях, движущихся с околосветовой скоростью, то требуемая мощность фантастична, и, по-видимому, даже "скромная" мощность двигателя, равная мощности светового излучения Солнца - 1026 Вт, может быть замечена в пределах всей Галактики имеющимися на Земле радиотелескопами. Это были бы необычные объекты, "искусственность" которых могла бы быть расшифрована.
Наиболее острым является вопрос о свидетельствах палеоконтактов, т.е. посещений в прошлом Солнечной системы и Земли кораблями развитых цивилизаций. Естественно думать, что цивилизации, которые живут и развиваются в технологической фазе десятки и сотни тысячелетий, могут освоить космические межзвездные перелеты, и постепенно перелетая от одной звезды к другой, где есть планеты с подходящими условиями, колонизировать всю Галактику. Выполнено много расчетов скорости освоения. При этом использовался один и тот же сценарий - посылка корабля со скоростью 0,1 с к ближайшей звезде на расстояние 10 св.лет со ста пассажирами. Далее порядка тысячи лет займет размножение населения до уровня нескольких миллиардов человек, после чего следует новый полет ста пассажиров м т.д. Оказалось, что для освоения или колонизации всей Галактики потребуется всего около десятка миллионов лет. Следовательно, вопрос о возможности колонизации Галактики сводится к вопросу о том, можно ли ожидать существования в настоящий момент цивилизаций, имеющих многие миллионы лет технологической эры жизни?
По данным космологии, возраст Вселенной составляет около 15 млрд лет, а возраст галактик ~12 млрд лет. Учитывая, что по примеру Земли требуется ~4 млрд лет эволюции от клетки до космической цивилизации, получаем, что цивилизации в технологической фазе могли возникать ~8 млрд лет назад.
Таким образом, должно быть много старых космических цивилизаций, начавших осваивать Галактику несколько миллиардов лет назад и, согласно расчетам, давно освоивших ее. По этим расчетам Солнечная система и Земля могли неоднократно посещаться, о чем возможно имеются материальные свидетельства. В силу сказанного проблема палеоконтактов должна серьезно изучаться. Имеющиеся попытки трактовки некоторых материальных данных как свидетельств палеоконтактов, к сожалению, недостаточно аргументированы, а порою просто поверхностны. В настоящее время, по-видимому, надо считать, что палеоконтакт не доказан, неоспоримых свидетельств посещения Солнечной системы и Земли нет.
Если считать неизбежным заселение всей галактики, то тем более неизбежным и необходимым будет наиболее полное освоение цивилизацией зоны обитания около своей звезды по мере развития и увеличения численности населения. Это должно привести к строительству, как их называл К.Э. Циолковский, "эфирных" городов. Сейчас уже создаются технические проекты таких поселений на сотни тысяч обитателей. Таким образом, неизбежно создание в космосе больших инженерных сооружений, т.е. астроинженерная деятельность цивилизации.
Можно в принципе мыслить создание такого плотного кольца орбит с искусственными поселениями, которые перекроют значительную часть потока световой энергии своей звезды. Так возникла известная сфера Циолковского-Дайсона. Если инженерные сооружения перекрывают весь поток, что, в принципе, возможно, то извне такая система будет казаться гигантской инфракрасной звездой размерами более 1 а.е. Отсюда возникла мысль искать такие объекты и они были найдены, но характеристики их излучения совсем не похожи на ожидаемые характеристики искусственного сооружения.
Мы рассмотрели указанные выше пути поиска разумной жизни во Вселенной. Надо сказать, однако, что все они, по существу, относятся к поиску в объеме своей Галактики, так как объекты Метагалактики слишком удалены, чтобы надеяться фиксировать какие-либо из указанных свидетельств жизни на межгалактических расстояниях.
В приводимом нами анализе мы опираемся на поиск человекоподобной цивилизации, находящейся, по крайней мере, примерно на том же научно-техническом уровне, только может быть с той разницей, что она овладела способами неограниченного производства энергии. При этом мы считаем, что цивилизация пользуется томи жв законами природы, которые известны на Земле и которыми мы пользуемся в своей технологической деятельности. Мы не основываемся на возможности знания цивилизацией новых, неизвестных нам законов, так как в этом случае это было бы не научное исследование, а научная фантастика.
4. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ВЦ.
ПРОТИВОРЕЧИЯ МЕЖДУ ВЫВОДАМИ ТЕОРИИ И ОПЫТОМ
Изложенные выше направления поиска свидетельств существования антропоморфной цивилизации во Вселенной основываются на ряде теоретических положений о возникновении и закономерностях развития цивилизаций. Эти положения можно сформулировать так:
1) жизнь во Вселенной возникает непрерывно, начиная с образования звезд второго поколения, т.е. примерно в течение последних 12 млрд лет;
2) внеземные космические цивилизации возникают эволюционным путем непрерывно последние ~8 млрд лет;
3) существует закон неограниченной экспансии разумной жизни, т.е. стремление исследовать и занять максимальное пространство;
4) цивилизации достигают уровня, при котором возможна практически неограниченная скорость непрерывного производства энергии.
Первое положение основывается на молчаливо общепринятом мнении, что жизнь как функция материи возникает непрерывно по мере достижения определенной организации материи во Вселенной в ее эволюционном развитии. Начало этого процесса после Большого взрыва определяется сроками синтеза всего набора тяжелых элементов и образования звезд с планетами. Как уже говорилось, космология дает для возраста Вселенной ~15 млрд лет. Трех миллиардов лет по теоретическим моделям вполне хватает для образования водородно-гелиевых звезд первого поколения, синтеза внутри них тяжелых элементов, рассеяния и конденсации в звезды второго поколения с планетами. Отсюда получается, что начавшийся после этого период, когда стало возможным возникновение жизни, длится уже ~12 млрд лет.
После этого начинается эволюционное развитие форм жизни около каждой из звезд, где она возникла, от клетки до технологической цивилизации, на что на Земле ушло около 4 млрд лет. Принимая этот срок за некоторую среднюю оценку, необходимую для возникновения разума и цивилизации, получаем второе положение, которое, как видно, является переносом земного опыта на всю Вселенную. Это может быть основано только на убеждении, что законы эволюции живого, установленные эволюционной биологией, являются универсальными и действуют во всей Вселенной.
Третье и четвертое положения, по существу, тоже основаны на земном опыте.
Закон неограниченной экспансии жизни для простейших ее форм являются внутренним (неосознанным) императивом. Для разумных социальных форм жизни в естественный процесс экспансии вмешиваются начала разумного регулирования, т.е. цели и другие социально-экономические категории. Вместе с этим возникают и новые мощные импульсы экспансии разума, такие, как познание Вселенной.
Четвертое положение - результат достижений науки и технологии последних десятилетий. Овладение термоядерной энергией позволяет иметь практически неограниченные возможности производства любых видов энергии. Наша цивилизация находится на пороге этого качественно нового рубежа своего развития.
Непрерывность возникновения жизни и цивилизаций во Вселенной, а также возможность производства неограниченных количеств энергии были главными теоретическими положениями, на которых строились выводы о существовании ярких свидетельств деятельности космических цивилизаций во Вселенной [7].
Действительно, неограниченные возможности энергопроизводства и большое время жизни в технологической фазе старых цивилизаций до пускают все, что только не противоречит законам природы (физики, химии, биологии и др.). Возможно создание гигантских астроинженерных сооружений, посылка мощнейших электромагнитных сигналов на всю Вселенную, даже передвижение звезд, их столкновения, взрывы и т.п. Одним словом, возможна перестройка всей Галактики.
Ряд исследователей считают, что раз это но запрещено законами физики, то многие из этих возможностей обязательно должны быть осуществлены. Это положение привело выводы теории к резкому расхождению с наблюдательными данными. Выводы теории приводят к неизбежной колонизации Галактики, существованию "космических чудес", связанных с космической деятельностью сверхцивилизаций, существованию мощных электромагнитных сигналов, легко принимаемых на простейшие средства, которыми, например, владеют даже младенческие цивилизации, только что достигшие технологической фазы развития, вроде нашей земной цивилизации и т.п. Ничего похожего не наблюдается, даже специальные поиски сигналов не дали положительных результатов. Космос молчит - так резюмируется в настоящее время отсутствие каких-либо свидетельств существования ВЦ выше порога наблюдательных возможностей, достигнутых нашей цивилизацией.
Отсюда, вообще говоря, можно сделать один из трех выводов: либо неверна теория, либо недостаточны наблюдательные данные, или же теория верна, но внеземных цивилизаций нет вообще, а наша цивилизация уникальна и единственна, по крайней мере в нашей Галактике. Этот последний радикальный вывод был сделан сначала Хартом, затем И.С. Шкловским [1]. Выдвигались и другие, менее радикальные утверждения о том, что цивилизации, достигнув технологической фазы, быстро погибают, например от загрязнения окружающей среды, ядерной войны и т.п., не успевая решить проблемы связи с другими цивилизациями и освоить другие звездные системы и галактики.
Утверждение об уникальности земной цивилизации фактически вступает в конфликт с приведенными выше выводами науки о множественности подходящих мест для возникновения и развития жизни во Вселенной и о большой вероятности возникновения там жизни путем той же химической и биологической эволюции. Нам представляется, что, скорее всего, неверны некоторые положения теории возникновения и развития жизни и цивилизаций [4, 8, 9].
Прежде всего, думается, надо отказаться от положения, что все не запрещенное физическим законом будет обязательно реализовано. Надо искать предельные возможности в развитии цивилизации, определяемые не только физическими, но и биологическими и социальными требованиями. Это очень сложно и кажется полностью неопределенным, поскольку социальные закономерности вряд ли могут быть предсказаны на астрономические сроки. Для цивилизации важны такие категории, как цель, целесообразность, затраты труда, времени, энергии и материальных ресурсов.
Однако практически все указанные категории связаны с энергопроизводством и, что ценно, могут быть выражены через него количественно. Энергопроизводство определяет материальный и духовный прогресс общества. Возможности цивилизации целиком будут определяться возможностями энергопроизводства. Имеются ли здесь безграничные возможности, как это считается рядом исследователей?
5. ПРЕДЕЛЬНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЦИВИЛИЗАЦИИ
Рассмотрим цивилизацию, которая для обеспечения жизни и деятельности производит некоторое количество энергии сверх энергии своей звезды, достигающей обычно планеты.
Достижение любой цели цивилизации требует трудовых, материальных и энергетических затрат. Условия достижения цели можно полностью характеризовать энергетическими затратами Q. Они складываются из затрат энергии на поддержание условий жизни исполнителей и затрат энергии собственно на работу для достижения цели. Эта энергия в конечном счете переходит в тепло и дополнительно нагревает место обитания цивилизации - планету. Величина дополнительного нагрева планеты зависит только от скорости производства энергии A = Q/t, где t - время достижения цели. Как показывают расчеты, дополнительное производство энергии в среде обитания может составить не более тысячной доли получаемой от звезды энергии [4,8]. Так, например,Земля получает от Солнца 1017 Вт. Цивилизация для поддержания своего существования на современном уровне дополнительно производит 1013 Вт, т.е. 2,5 кВт на человека. При производстве 1015 Вт, т.е. одной сотой от получаемой от Солнца энергии, средняя температура на Земле повысится на 0,75°С, что уже приведет к сильнейшим изменениям в природе планеты.
Величина производимой цивилизацией энергии сверх энергии звезды зависит, разумеется, от величины поверхности, по которой расселена цивилизация. Чем большую энергию своей звезды перехватывает цивилизация, тем большую энергию она может дополнительно произвести. Если сфера обитания непрерывно охватывает всю звезду, то тысячная доля дополнительного производства энергии будет огромна. Для солнечной цивилизации это составит около 1023 Вт.
Однако никто не подумал серьезно о том, каким образом полностью экранировать излучение своей звезды, создав сферу Циолковского-Дайсона. Как очевидно, экранировка должна осуществляться телами, движущимися по орбитам в зоне обитания. Например, чтобы перекрыть всю энергию Солнца, нужно создать на орбитах вокруг него 4 млрд сфер размерами с Землю! Вряд ли можно так расположить орбиты в сферическом слое, не выходя из зоны обитания порядка одной астрономической единицы (в пределах расстояния от Венеры до Марса), чтобы эта система была устойчивой. По-видимому, практически возможен перехват только определенной доли энергии звезды, например миллионной, для чего, однако, нужно создать 4 тыс. сооружений размером с Землю каждая !
Кстати, даже такое грандиозное космическое сооружение, перекрывая всего миллионную часть потока, вряд ли может быть замечено какими-либо современными средствами. Ведь при этом только миллионная часть световой энергии звезды будет перерабатываться в инфракрасное излучение.
При миллионной доле перехвата энергии Солнца цивилизация будет получать только 1020 Вт и может дополнительно произвести 1017 Вт, т.е. примерно в 10 тыс. раз больше теперешнего уровня. Если даже вся эта мощность будет направлена на посылку всенаправленного сигнала, то это даст дальность связи не более 100 св. лет. Но если учесть, что на каждой из 10 тыс. планет будет население с такой же численностью, как на Земле, то все дополнительные 1017 Вт уйдут на поддержание жизни населения. Таким образом, не только неограниченной, но даже достаточной свободной энергией цивилизации располагать но могут. Подобные идеи экономических ограничений энергопроизводства разработаны также в докладе К. К. Ребане.
У космической цивилизации, овладевшей возможностью производства неограниченного количества энергии, будут заботы о том, как ограничить скорость ее производства, чтобы не перегреть среду и в то же время удовлетворить все нужды цивилизации. Таким образом, вместо проблемы, как увеличить энергопроизводство, характерной для современного уровня развития земной цивилизации, будет возникать проблема, как ограничить производство энергии, предназначенной для достижения тех или иных целей.
Потребление энергии цивилизацией зависит от ее расселения в пространстве около звезды. Существует сильное ограничение на объем расселения, определяемое законами физики. Для пояснения этого приведем сформулированное в [4], как представляется, довольно полное функциональное определение цивилизации как "общности разумных существ, характеризуемой обменом энергией, массой и информацией внутри себя и с внешней средой с целью поддержания жизни и прогрессивного развития". При этом очевидно, что время обмена, равное расстоянию, деленному на скорость обмена, должно быть много меньше характерного времени различных жизненно важных процессов в цивилизации. При скорости обмена массой и энергией ~0,1 с размеры цивилизации не должны превышать нескольких световых часов. Это эквивалентно расселению в пределах орбиты Урана. Однако внешние замарсианские поселения должны будут производить дополнительную энергию, чтобы компенсировать нехватку солнечной энергии для создания приемлемых температурных условий.
Необходимость обмена массой и информацией при ограниченности скорости обмена скоростью света делает практически нереальным образование галактической цивилизации, о которой часто пишут фантасты.
Таким образом, цивилизация будет ограничена пространством обитания около своей звезды и. следовательно, ограничена в производстве энергии. Можно, однако, несколько ослабить запрет на производство энергии, если процессы, требующие большого энергопотребления, выносить достаточно далеко за пределы среды обитания, например на Луну. Но при этом не следует забывать, что для связи с объектом нужен будет космический транспорт и нужно считать, не будет ли при этом в среде обитания выделено больше энергии, чем вынесено. Следует, однако, сказать, что если расселение возможно на астроинженерных сооружениях, которые имеют массу, много меньшую земной, и небольшое гравитационное поле, то космический транспорт между такими объектами может быть не очень энергоемким. В этом смысле расселение на планетах менее удобно, так как требуются большие скорости отрыва для космического транспорта.
Из сказанного очевидно, что допускаемая скорость выделения цивилизацией энергии является в космическом масштабе весьма скромной величиной, которая не может обеспечить "космического чуда".
Ограничение скорости производства энергии накладывает жесткие ограничения на время выполнения той или иной задачи. Так, если для создания какого-либо космического сооружения требуется энергия Q, то срок создания будет определяться допустимой скоростью эноргопроизводства A т.е. t = Q/A. В частности, например, для строительства мощного всенаправленного радиомаяка, обеспечивающего дальность действия 1000 св. лот и удаленного от Земли на безопасное расстояние ~100 а.е., потребуется, как показали простые расчеты, ~1033 Дж. При предельной скорости энергопроизводства 1020 Вт для строительства потребуется время 1013 с, т.е. ~300 тыс. лет [4]. Конечно, никакая цивилизация такого маяка строить не будет. Это решение, как видится, вытекает из сопоставления целей и затрат, а значит, является социальным актом.
Мы привели крайние, максимальные оценки энергетических возможностей цивилизации. На самом деле они будут еще скромнее. Таким образом, главная причина сдерживания скорости энергопроизводства - это требование охраны среды обитания от энергетического загрязнения и нарушения экологических условий. Сказанное выше объясняет отсутствие мощных всенаправленных радио- и оптических сигналов искусственного происхождения из космоса.
Однако эти ограничения не исключают межзвездные перелеты и колонизацию Галактики, хотя, может быть, существенно их затрудняют.
6. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЖИЗНИ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ
Еще одним изменением теоретических положений является предложенная автором гипотеза одноразового взрывного происхождения жизни во Вселенной в определенной фазе ее эволюции на подходящих планетах [9]. В самом деле, разве доказано, что жизнь возникает непрерывно по мере образования планет с подходящими условиями? Этих доказательств нет. Скорее всего, возникновение жизни - такой сложной высшей формы организации материи - произошло однократно как закономерный этап эволюции Вселенной в целом на сложившихся к тому времени планетных системах и позднее жизнь спонтанно не возникала. Это означает, что жизнь на других подходящих для этого планетах возникла, как и на Земле, 4 млрд лет назад. Далее началось эволюционное развитие, которое на Земле потребовало 4 млрд лет для того, чтобы возникла технологическая цивилизация, существующая в этой фазе еще менее 100 лет. На разных планетах из-за различных внешних условий эволюция могла идти с разными скоростями, однако вероятное всего, что скорость эволюции определяется внутренними законами развития биосистем, которые мало отличаются друг от друга. При этом получается, что технологические цивилизации только начинают возникать и нет очень старых цивилизаций с длительной фазой технологической эры. Может даже оказаться, что наша цивилизация первая в Галактике вышла на технологический уровень и мы временно одиноки. Отсюда ясно, что рано ожидать колонизации Галактики, она может быть осуществлена в будущем.
Ф. Дрейк на основании существующего предположения о непрерывном в течение последних 12 млрд лет возникновении жизни построил теорию населенности Галактики [3, 10]. При ограниченном сроке жизни число одновременно существующих цивилизаций в технологической фазе Nc = RcL, где Rc - скорость возникновения цивилизаций, a L - их время жизни в технологической фазе. При неограниченном сроке жизни Nc = Rc(t - t1), где t1 = 5-7 млрд лет - момент времени в прошлом, когда началось возникновение цивилизаций.
Для предложенной нами гипотезы технологические цивилизации начинают появляться около некоторого момента времени tc по случайному закону. Будем полагать, что число цивилизаций, выходящих на технологический уровень за малый интервал времени dt, определяется гауссовым законом распределения, т.е.
Здесь Npc - максимальное число цивилизаций, которые могут образоваться на Np планетах, где зародилась жизнь, причем в общем случае Npc < Np; tc - момент в прошлом или будущем, соответствующий максимуму скорости образования технологических цивилизаций. Это время tc близко к настоящему моменту t0. Интегрируя приведенное выражение, получим:
Здесь ers - табулированная функция - знак "-" берется при
t
tс,
знак "+" берется при t
tс.
На рис. 2 представлены графики зависимости Nc(t) для обеих теорий. Из графиков рис. 2,а видно, что, по Дрейку, число цивилизаций при неограниченном сроке жизни растет линейно со временем. При этом в ней действуют цивилизации всех технологических возрастов от нуля до 5-8 млрд лет. Если срок жизни ограничен, то число живущих одновременно цивилизаций неизменно (сколько нарождается, столько и отмирает), но растет число кладбищ цивилизаций.
На рис. 2,б изображена зависимость Nc(t),
когда tc ~
t0, а дисперсия 
~1
млрд лет. По новой концепции при неограниченной жизни число цивилизаций
стремится к пределу, заданному числом планет с возникшей жизнью. Цивилизации
начали возникать где-то вблизи настоящего момента времени. При конечном
сроке жизни все цивилизации погибают.
Новая концепция, кроме объяснения наблюдений, привлекательна еще и тем, что не требует органичения срока жизни цивилизации иными рамками, чем срок жизни всей Вселенной.
Главное в предложенной гипотезе - это предположение о более позднем начале возникновения жизни во Вселенной, чем полагалось ранее. При этом можно оставить в силе предположение о непрерывном возникновении жизни в более позднем периоде, не вводя взрывного однократного возникновения жизни.
Таким образом, новые теоретические положения можно сформулировать:
- жизнь во Вселенной возникла на подходящих планетах одновременно и однократно
как взрыв около 4 млрд лет назад или возникает непрерывно, но также лишь
последние 4 млрд лет;
- существует закон неограниченной экспансии разумной жизни;
- цивилизация развивается в условиях ограничения скорости энергопроизводства.
Предельный уровень скорости энергопроизводства определяется условиями сохранения
среды обитания и на пять-шесть порядков меньше мощности излучения своей
звезды.
Отсюда вытекает ряд следствий, например, что ВЦ возникают в основном около современного момента жизни Вселенной, когда прошел достаточный срок их эволюции. Далее, ограничение скорости энергопроизводства, естественно, приводит к ограничению скорости решения задач и достижения целей цивилизации.
Новые теоретические положения оказывают влияние на выработку стратегии поиска свидетельств существования ВЦ. Мы рассмотрим наиболее разработанную в течение прошедших двух десятилетий поиска стратегию и методы поиска сигналов в радиодиапазоне волн.
7. СТРАТЕГИЯ И МЕТОДЫ ПОИСКА РАДИОСИГНАЛОВ
Содержание проблемы поиска радиосигналов состоит в том, что нужно, вообще
говоря, искать сигнал неизвестно на какой частоте, неизвестно из какого
направления на небе и неизвестно в какое время. Упрощенно говоря, существует
три неизвестных: длина волны 
,
направление 
время t. Менее существенными неизвестными являются
полоса 
передачи,
доплеровское смещение частоты, поляризация сигнала - эти параметры системы
приема-передачи могут быть оценены достаточно однозначно. Поляризация сигнала,
очевидно, должна быть круговой, так как линейная поляризация в процессе
распространения в магнитно-активной межзвездной плазме будет испытывать
фарадеевское вращение. Круговая поляризация не испытывает искажений при
распространении, и кроме того, может быть принята также на антенне с линейной
поляризацией.
Исключить влияние взаимных скоростей передающей и принимающей цивилизаций
можно, если обе они будут знать взаимные радиальные скорости своих звезд,
так как скорости планет относительно своей звезды каждая цивилизация может
учесть и скомпенсировать. Однако даже и без учета влияния взаимных радиальных
скоростей неопределенность в частоте, вносимая доплеровским эффектом, приводит
к незначительной величине сдвига порядка v/с,
где v - взаимная скорость в среднем 
100
км/с. При этом смещение частоты составит ~0,3 * 10-3
от рабочей.
Несколько сложнее определить необходимую ширину полосы приема. Считается, что передающий сигнал должен обладать в максимальной степени признаком искусственности. Таким сигналом является по возможности строго монохроматический сигнал с высокостабильной частотой излучения [2].
Подобные сигналы могут генерироваться кварцевыми и атомными стандартами радиочастот. Ширина спектральной линии этих генераторов весьма узкая; она определяется естественными шумами в системе и исчисляется сотыми долями герца. При этом допускается медленная модуляция для передачи смыслового сообщения, которая мало расширяет спектр сигнала.
Таким образом, полоса приема может быть весьма узкой, но ее приходится расширять для того, чтобы в нее уложилась частота передатчика, сдвинутая на неопределенную величину из-за эффекта Доплера. Однако расширение полосы приема нежелательно из-за вызываемого этим уменьшения чувствительности приема. Решение вопроса обеспечивается созданием многоканального приема, когда каждый канал имеет полосу в единицы или даже в десятые доли герца, но таких каналов делается сотни тысяч и даже миллионы. Это позволяет охватить все возможные частоты, сдвинутые на неизвестную величину из-за эффекта Доплера. Таким путем ликвидируется не только влияние неопределенности доплеровского сдвига на параметры приема, но и решается вопрос неопределенности в частоте связи.
Рассмотрим проблему выбора волны связи. В начале, как уже говорилось,
казалось, что природой указана единственная волна, а именно спектральная
линия излучения нейтрального межзвездного водорода
= 21 см. Однако позднее были обнаружены десятки спектральных линий излучения.
Например, спектральная линия гидроксила ОН
= 18 см, формальдегида - 6 см, воды - 1,35 см и т.д., вплоть до множества
линий в миллиметром диапазоне. Волна 21 см потеряла свое "магическое"
значение, однако появилась "Философия" приоритета диапазо от
21 см до 18 см (1400-1700 МГц), названного "водяным диапазоном".
Опубликована целая серия предложений и обоснований различных частот связи. Эти предложения приведены в табл. 2 с краткой аргументацией. Стало очевидным, что должен быть выработан более обоснованный критерий выбора частот.
Диапозон частот, очевидно, должен определяться условиями распространения волн, шумами Галактики и приемных устройств. Оптимальным диапазоном является интервал волн от 30 до 0,1 см. Для волн длиннее 30 см сильно возрастают шумы Галактикию, а на волнах короче 0,1 см - квантовые шумы приемных устройств, Таким образом, квантовая природа электромагнитных волн и собсвенное радиоизлучение межзвездной среды Галактики оределяют естественное галактическое окно связи. Для передачи и приема с поверхности Земли возникает некоторое дополнительное ограничение со стороны миллиметровых волн из-за поглащения в атмосфере Земли и ее шумового радиоизлучения.
Как видим, природа представляет довольно широкий диапозон подходящих частот связи. Какой же критерий выбора частоты должен быть доминирующим для всех цивилизаций?
Из сказанного выше о сильных энергетических ограничениях очевидно, что связь должна быть энергетически экономной. Это означает сообразность использования всенаправленной передачи, требующей, как показывают расчеты, непомерно большой мощности передатчика даже на скромные расстояния (независимо от длины волны).
|
Т а б л и ц а 3 Зависимость мощности передатчика Р от длины волны
|
Энергетические затраты можно существенно уменьшить, используя направленную
передачу с помощью достаточно больших параболических антенн. С применением
направленных антенн появляется и существенная зависимость сигнала от длины
волны при заданном размере антенны и мощности передатчика. Возникает возможность
уменьшения мощности. Очевидно, что чем короче волна передачи, тем сильнее
при заданном диаметре антенны будет концентрироваться энергия. Формула
для плотности потока энергии сигнала будет S = P/R22
[Вт/м2] . Здесь Р - мощность передатчика,
R - расстояние до корреспондента, -
эффективная площадь антенны, обычно близкая к геометрической. Из соотношения
видно, что чем короче волна и чем больше антенна, тем больше мощность сигнала
в месте приема. Таким образом, оптимальной волной связи являются волны
миллиметрового диапазона.
Выбор конкретной частоты можно сделать и на основании, например, предложения
Н.С. Кардашева [11] - взять среднюю волну реликтового фона или излучения
позитрония (см. табл. 2). При использовании волны 0,15 см для создания
такого же сигнала, как на волне с
= 21 см, потребуется мощность, в 2 * 104 раза меньшая, или при
той же мощности дальность увеличивается в 140 раз. Сигнал можно усилить,
увеличивая , т.е. размер антенны. Предельное значение
ограничивается техническими трудностями изготовления
точной поверхности антенны при увеличении ее размера. В земных условиях
для миллиметровых волн можно считать, что возможный диаметр зеркала .
Это дает в формуле множитель (заметим, что для всенаправленной антены /2
= 1) /2
= 1010, который показывает, во сколько раз увеличивается
сигнал по сравнению с всенаправленной передачей.
В табл. 3 приведены расчетные мощности передатчика для приемных устройств современной техники. Видно, что земная цивилизация имеет реальные технические возможности для установления связи на миллиметровых волнах в пределах нашей Галактики. В прошедшие двадцать лет, как видно из табл., приведенной в докладе Дж. Тартер, все поиски сигналов осуществлялись главным образом на волне 21 см и более длинных. Это предполагало использование больших мощностей передачи, что, как мы видим, нереалистично и в значительной мере может объяснять отрицательные результаты поиска сигналов. Нужно рассчитывать на очень слабые сигналы и значительно увеличивать размеры приемных антенн.
Обоснования выбора волн связи еще не достаточно для решения проблемы связи. Необходимо установить критерии выбора направлений для поиска сигналов и времени начала поисков. Если этих критериев не найти, значит нужно осматривать все небо и делать это все время. 8 результате мы получим тот "космический стог сена", о котором сказано в докладе Дж. Тартер. Можно сказать, что Коккони и Моррисон открыли канал связи, указав на волну 21 см, теперь остается ликвидировать две неизвестные величины в системе связи: направление поиска и время начала поиска.
Эту проблему блестяще решил П.В. Маковецкий [12]. Он предложил начало приема и передачи привязывать к замечательным явлениям в нашей Галактике, например вспышкам новых и сверхновых. Вспышка, видимая обычно во всей Галактике, должна быть использована как сигнал маяка для начала поисков связи. Если все цивилизации придут к этому принципу, то "встреча сигналов" очень вероятна.
Согласно П.В. Маковецкому, поиск должен осуществляться по направлению от вспыхнувшей звезды или от группы ближайших к нам звезд. В последнем случае можно весьма точно указать (с точностью до нескольких дней), когда нужно вести прием, чтобы обнаружить сигнал, посланный от какой-либо ближайшей звезды, если там есть цивилизация, которая приняла принцип синхронизации связи по вспышкам звезд.
Предложение использовать вспышечные явления, как очевидно, определяет направление и начало приема-передачи. Другое предложение П.В.Маковецкого состоит в использовании замечательных объектов Галактики в качестве направлений для приема и передачи. Очевидно, что если все цивилизации придут к этому, то вероятность пересечения направлений посылки сигналов и приема, т.е. установления связи, сильно повышается.
Подводя итоги, можно сделать вывод, что почти четвертьвековое теоретическое и экспериментальное изучение проблемы существования и поиска жизни во Вселенной сделало огромный шаг вперед и подготовило фундамент дальнейшего продвижения исследований на качественно новом теоретическом и экспериментальном уровне.
ЛИТЕРАТУРА