Стоимость посещения Земли для инопланетян может быть слишком астрономической

В 1950 году итало-американский физик Энрико Ферми обедал с некоторыми из своих коллег в Лос-Аламосской национальной лаборатории, где он работал пять лет назад в рамках Манхэттенского проекта.

По разным данным, разговор зашел об инопланетянах и недавней волне НЛО. В связи с этим Ферми сделал заявление, которое войдет в анналы истории: «Где все?»

Это стало основой парадокса Ферми, который относится к несоответствию между оценками высокой вероятности существования внеземного разума (ETI) и очевидным отсутствием доказательств.

Со времен Ферми было предложено несколько вариантов ответа на его вопрос, включая очень реальную возможность того, что межзвездная колонизация следует основному правилу теории просачивания.

Одно из ключевых предположений, лежащих в основе парадокса Ферми, заключается в том, что, учитывая обилие планет и возраст Вселенной, развитая экзоцивилизация уже должна была колонизировать значительную часть нашей галактики.

Это, безусловно, не лишено достоинств, учитывая, что только в галактике Млечный Путь (которой более 13,5 миллиардов лет) насчитывается от 100 до 400 миллиардов звезд.

Еще одно ключевое предположение заключается в том, что разумные виды будут мотивированы на колонизацию других звездных систем как часть естественного стремления исследовать и расширить границы своей цивилизации.

И последнее, но не менее важное: предполагается, что межзвездные космические путешествия осуществимы и даже практичны для развитой экзоцивилизации.

Но это, в свою очередь, сводится к предположению, что технологические достижения обеспечат решение самой большой проблемы межзвездных путешествий.

Короче говоря, количество энергии, которое потребуется космическому кораблю для путешествия от одной звезды к другой, непомерно велико, особенно если речь идет о большом космическом корабле с экипажем.

Относительность — суровая госпожа

В 1905 году Эйнштейн опубликовал свою основополагающую статью, в которой изложил свою специальную теорию относительности. Это была попытка Эйнштейна согласовать законы движения Ньютона с уравнениями электромагнетизма Максвелла, чтобы объяснить поведение света.

Эта теория по существу утверждает, что скорость света (помимо того, что она постоянна) является абсолютным пределом, за который объекты не могут двигаться.

Это резюмируется знаменитым уравнением E=mc2, иначе известным как «эквивалентность массы и энергии». Проще говоря, эта формула описывает энергию (E) частицы в системе покоя как произведение массы (m) на квадрат скорости света (c2) – прибл. 300 000 км/с; 186 000 миль/с. Следствием этого является то, что по мере приближения объекта к скорости света его масса неизменно увеличивается.

Следовательно, чтобы объект достиг скорости света, необходимо затратить бесконечное количество энергии на его ускорение. Как только с будет достигнуто, масса объекта также станет бесконечной.

Короче говоря, достичь скорости света невозможно, не говоря уже о том, чтобы превысить ее. Таким образом, за исключением какой-либо огромной революции в нашем понимании физики, двигательная установка со скоростью, превышающей скорость света (FTL), никогда не может существовать.

Таково последствие жизни в релятивистской Вселенной, где для перемещения даже со скоростью, составляющей долю скорости света, требуется огромное количество энергии.

И хотя за прошедшие годы физики и инженеры, желающие воплотить межзвездные путешествия в жизнь, выдвинули несколько очень интересных и новаторских идей, ни одна из концепций с экипажем не является тем, что можно было бы назвать «рентабельной».

Вопрос принципа

Это поднимает очень важный философский вопрос, связанный с парадоксом Ферми и существованием ETI. Это не что иное, как принцип Коперника, названный в честь знаменитого астронома Николая Коперника.

Чтобы сломать его, этот принцип является продолжением аргумента Коперника о Земле, о том, что она не находилась в уникальном и привилегированном положении для наблюдения за Вселенной.

Распространенный на космологическую сферу, этот принцип в основном утверждает, что при рассмотрении возможности разумной жизни не следует предполагать, что Земля (или человечество) уникальна.

Точно так же этот принцип утверждает, что Вселенная, какой мы ее видим сегодня, представляет собой норму, иначе говоря, что она находится в состоянии равновесия.

Противоположный взгляд на то, что человечество находится в уникальном и привилегированном положении для наблюдения за Вселенной, известен как антропный принцип.

В двух словах, этот принцип гласит, что сам процесс наблюдения Вселенной за признаками жизни и разума требует, чтобы законы, управляющие ею, благоприятствовали жизни и разуму.

Если мы примем принцип Коперника в качестве руководящего принципа, мы вынуждены признать, что любой разумный вид столкнулся бы с теми же проблемами при межзвездном полете, что и мы.

И поскольку мы не предвидим пути их обхода, за исключением серьезного прорыва в нашем понимании физики, возможно, ни один другой вид не нашел его.

Может ли это быть причиной «Великой тишины»?

Источник

Представление о том, что расстояние и время могут быть фактором (в связи с парадоксом Ферми), со временем получило довольно много внимания.

Карл Саган и Уильям И. Ньюман в своем исследовании 1981 года «Галактические цивилизации: динамика населения и межзвездная диффузия» предположили, что сигналы и зонды внеземных цивилизаций, возможно, просто еще не достигли Земли. Это было встречено критикой со стороны других ученых, которые утверждали, что это противоречит принципу Коперника.

По собственным оценкам Сагана и Ньюмана, время, необходимое ETI для исследования всей галактики, равно или меньше возраста самой нашей галактики (13,5 миллиардов лет). Если зонды или сигналы экзоцивилизации еще не достигли нас, это будет означать, что разумная жизнь начала появляться в недавнем прошлом.

Другими словами, галактика находится в состоянии неравновесия, переходя из необитаемого состояния в обитаемое.

Однако именно Джеффри А. Лэндис выдвинул, пожалуй, самый убедительный аргумент в отношении ограничений, накладываемых законами физики.

В своей статье 1993 года «Парадокс Ферми: подход, основанный на теории перколяции» он утверждал, что, как следствие теории относительности, экзоцивилизация сможет распространиться по всей галактике только до определенного предела.

Центральным аргументом Лэндиса была концепция математической и физической статистики, известная как «теория просачивания», которая описывает поведение сети при удалении узлов или связей.

В соответствии с этой теорией, когда из сети удаляется достаточное количество ссылок, она распадается на более мелкие связанные кластеры.

По словам Лэндиса, этот же процесс полезен при описании того, что происходит с людьми, вовлеченными в миграцию.

Короче говоря, Лэндис предположил, что в галактике, где разумная жизнь статистически вероятна, не будет «единообразия мотивов» среди внеземных цивилизаций. Вместо этого его модель предполагает широкий спектр мотивов: некоторые предпочитают рискнуть и колонизировать, в то время как другие предпочитают «оставаться дома».

Как он это объяснил:

«Поскольку это возможно, учитывая достаточно большое количество внеземных цивилизаций, одна или несколько непременно предприняли бы это, возможно, по неизвестным нам мотивам. Колонизация займет очень много времени и будет очень дорогой.

«Вполне разумно предположить, что не все цивилизации будут заинтересованы в таких больших расходах, чтобы окупиться в далеком будущем. Человеческое общество состоит из смеси культур, которые исследуют и колонизируют, иногда на очень больших расстояниях, и культур, которые не заинтересованы в этом».

Подводя итог, можно сказать, что продвинутый вид не стал бы колонизировать галактику быстро или постоянно. Вместо этого он «просачивался» вовне на конечное расстояние, где растущие затраты и время задержки между коммуникациями накладывали ограничения, а колонии развивали свои собственные культуры.

Таким образом, колонизация не была бы однородной, а происходила бы группами, при этом большие площади оставались неколонизированными в любой момент времени.

Аналогичный аргумент был выдвинут в 2019 году Адамом Франком и группой исследователей экзопланет из NASA Nexus for Exoplanetary Systems Science (NExSS).

В исследовании под названием «Парадокс Ферми и эффект Авроры: заселение экзоцивилизаций, расширение и устойчивые состояния» они утверждали, что заселение галактики также будет происходить кластерами, потому что не все потенциально обитаемые планеты подходят для колонизации. разновидность.

Конечно, модель Лэндиса содержит некоторые собственные допущения, которые он изложил заранее.

Во-первых, существовало предположение, что межзвездные путешествия затруднены из-за законов физики и что существует максимальное расстояние, на котором можно напрямую основать колонии. Следовательно, цивилизация будет колонизировать только на разумном расстоянии от своего дома, за которым позже произойдет вторичная колонизация.

Во-вторых, Лэндис также делает предположение, что родительская цивилизация будет иметь слабый контроль над любыми созданными ею колониями, и время, необходимое для того, чтобы они развили свои собственные колонизационные способности, будет очень долгим. Следовательно, любая основанная колония со временем разовьет свою собственную культуру, а ее жители будут иметь чувство собственного достоинства и идентичности, отличное от чувства родительской цивилизации.

Как мы выяснили в предыдущей статье, с использованием современных технологий потребуется от 1000 до 81 000 лет, чтобы достичь Проксимы Центавра (на расстоянии 4,24 световых года).

Хотя существуют концепции, которые позволяют совершать релятивистские путешествия (со скоростью, составляющей часть скорости света), время в пути все равно будет составлять от нескольких десятилетий до более века. Более того, стоимость будет чрезвычайно непомерно высокой (подробнее об этом ниже).

Но доставка колонистов в другую звездную систему — это только начало.

После того, как они заселили ближайшую обитаемую планету (и не все вымерли) и создали инфраструктуру для межзвездной связи, понадобилось бы еще восемь с половиной лет, чтобы отправить сообщение на Землю и получить ответ. Это просто нецелесообразно для любой цивилизации, надеющейся сохранить централизованный контроль или культурную гегемонию над своими колониями.

Космос дорого!

Чтобы представить ситуацию в перспективе, подумайте о затратах, связанных с собственной историей освоения космоса человечеством. Отправка астронавтов на Луну в рамках программы «Аполлон» в период с 1961 по 1973 год стоила огромных 25,4 миллиарда долларов США, что сегодня составляет около 150 миллиардов долларов США (с поправкой на инфляцию).

Но «Аполлон» возник не на пустом месте, и сначала ему потребовались проекты «Меркурий» и «Близнецы» в качестве трамплина.

Эти две программы, которые отправили первых американских астронавтов на орбиту и накопили необходимый опыт для полета на Луну, стоили соответственно около 2,3 миллиарда долларов США и 10 миллиардов долларов США (с поправкой).

Сложите их все, и вы получите в общей сложности около 163 миллиардов долларов США, потраченных с 1958 по 1972 год.

Для сравнения, проект «Артемида», который впервые с 1972 года вернет астронавтов на Луну, всего за следующие четыре года будет стоить 35 миллиардов долларов США!

Это не включает затраты на доведение всех различных компонентов до этого этапа игры, таких как разработка SLS до сих пор, космическая капсула Orion и исследования Лунных врат, систем приземления людей (HLS) и роботов. миссии.

Это большие деньги только для того, чтобы добраться до единственного спутника Земли. Но это ничто по сравнению со стоимостью межзвездных миссий!

Отправляетесь в межзвездное путешествие?

С самого начала космической эры было сделано много теоретических предложений по отправке космических кораблей к ближайшим звездам.

В основе каждого из этих предложений лежал один и тот же вопрос: сможем ли мы добраться до ближайших звезд за свою жизнь?

Чтобы справиться с этой задачей, ученые разработали ряд передовых стратегий движения, которые были бы способны разогнать космический корабль до релятивистских скоростей.

Из них самым простым, безусловно, был проект «Орион» (с 1958 по 1963 год), в котором использовался метод, известный как ядерно-импульсный двигатель (ЯЭУ).

Этот проект, возглавляемый Тедом Тейлором из General Atomics и физиком Фриманом Дайсоном из Института перспективных исследований Принстонского университета, предусматривал создание массивного звездолета, который будет использовать взрывную силу, создаваемую ядерными боеголовками, для создания тяги.

Эти боеголовки будут выпущены позади космического корабля и взорваны, создавая ядерные импульсы. Они будут поглощаться установленной сзади прижимной пластиной (также известной как «толкатель»), которая преобразует взрывную силу в поступательный импульс.

Несмотря на неизящность, система была чрезвычайно простой и эффективной и теоретически могла развивать скорость до 5 процентов от скорости света (5,4 × 107 км/ч, или 0,05с).

Увы, стоимость. Согласно оценкам, произведенным Dyson в 1968 году, космический корабль Orion будет весить от 400 000 до 4 000 000 метрических тонн.

По самым скромным оценкам Дайсона, стоимость строительства такого корабля также оценивается в 367 миллиардов долларов США (2,75 триллиона долларов США с поправкой на инфляцию). Это около 78 процентов годового дохода правительства США за 2019 год и 10 процентов ВВП страны.

Другая идея состояла в том, чтобы построить ракеты, использующие термоядерные реакции для создания тяги.

В частности, концепция Fusion Propulsion исследовалась Британским межпланетным обществом в период с 1973 по 1978 год в рамках технико-экономического обоснования, известного как Project Daedalus.

Получившаяся в результате конструкция предусматривала создание двухступенчатого космического корабля, который будет генерировать тягу за счет сплавления гранул дейтерия / гелия-3 в реакционной камере с использованием электронных лазеров.

Это создаст высокоэнергетическую плазму, которая затем будет преобразована в тягу с помощью магнитного сопла.

Первая ступень космического корабля будет работать чуть более 2 лет и разгонит космический корабль до 7,1% скорости света (0,071с). Затем эта ступень будет сброшена, а вторая ступень вступит во владение и разгонит космический корабль примерно до 12 процентов скорости света (0,12с) в течение 1,8 лет.

Затем двигатель второй ступени будет отключен, и корабль войдет в 46-летний крейсерский период.

По оценкам проекта, миссии потребуется 50 лет, чтобы достичь звезды Барнарда (менее 6 световых лет от нас). С поправкой на Проксиму Центавра тот же корабль мог совершить путешествие за 36 лет.

Но вдобавок к технологическим барьерам, выявленным в рамках Проекта, были еще и огромные затраты.

Даже по скромным стандартам концепции без экипажа полностью заправленный Daedalus будет весить до 60 000 метрических тонн и стоит более [5,2 триллиона долларов США] (по оценкам 2012 года). С поправкой на 2020 год цена полностью собранного Daedalus будет составлять около 6 триллионов долларов США. Icarus Interstellar, международная организация ученых-добровольцев (основанная в 2009 году), с тех пор пыталась оживить эту концепцию с помощью проекта Icarus.

Еще одна смелая идея — движение антиматерии, основанное на аннигиляции материи и антиматерии (частиц водорода и антиводорода).

Эта реакция высвободила столько же энергии, сколько термоядерный взрыв, а также поток субатомных частиц (пионов и мюонов).

Эти частицы, которые затем будут двигаться со скоростью, равной одной трети скорости света, направляются магнитным соплом для создания тяги.

К сожалению, стоимость производства даже одного грамма топлива из антивещества оценивается примерно в 1 триллион долларов США.

Согласно отчету Роберта Фрисби из Группы перспективных двигательных технологий НАСА (NASA Eagleworks), двухступенчатой ​​ракете на антивеществе потребуется более 815 000 метрических тонн (900 000 тонн США) топлива, чтобы совершить путешествие к Проксиме Центавра примерно за 40 лет.

В более оптимистичном отчете доктора Даррела Смита и Джонатана Уэбби из Авиационного университета Эмбри-Риддла говорится, что космический корабль весом 400 метрических тонн (441 тонна США) и 170 метрических тонн (187 тонн США) топлива из антивещества может достичь скорости, равной 0,5 скорости легкий.

При такой скорости корабль может достичь Проксимы Центавра чуть более чем за 8 лет, но нет экономически эффективного способа сделать это, и никаких гарантий никогда не будет.

Во всех случаях топливо составляет большую часть общей массы этой концепции. Чтобы решить эту проблему, были предложены варианты, которые могут генерировать собственное топливо.

Что касается термоядерных ракет, то это Bussard Ramjet, который использует огромную электромагнитную воронку для «зачерпывания» водорода из межзвездной среды и магнитные поля для его сжатия до такой степени, что происходит синтез.

Точно так же существует межзвездная исследовательская система ракеты «Вакуум-антивещество» (VARIES), которая также создает собственное топливо из межзвездной среды. Предложенный Ричардом Обузи из Icarus Interstellar, корабль VARIES будет опираться на большие лазеры (питание от огромных солнечных батарей), которые будут создавать частицы антиматерии при выстреле в пустое пространство.

Увы, ни одна из этих идей невозможна при использовании современных технологий, и при этом они не находятся в области экономической эффективности (вряд ли).

В сложившихся обстоятельствах и за исключением нескольких крупных технологических разработок, которые позволили бы снизить связанные с этим расходы, было бы справедливо сказать, что любая идея межзвездных миссий с экипажем просто непрактична.

Отправка зондов к другим звездам в течение нашей жизни все еще возможна, особенно те, которые полагаются на движение направленной энергии (DEP).

Как показывают такие предложения, как Breakthrough Starshot или Project Dragonfly, эти паруса могут быть разогнаны до релятивистских скоростей и иметь все необходимое оборудование для сбора изображений и основных данных о любых экзопланетах, находящихся на орбите.

Однако такие зонды являются потенциально надежным и экономичным средством межзвездных исследований, а не колонизации.

Более того, временная задержка, связанная с межзвездной связью, по-прежнему накладывает ограничения на то, как далеко эти зонды могут исследовать, продолжая отправлять отчеты на Землю.

Поэтому вряд ли экзоцивилизация отправит зонды далеко за пределы своей территории.

Критика

Возможная критика теории перколяции заключается в том, что она допускает множество сценариев и интерпретаций, которые допускают, что контакт произошел в этот момент.

Если мы предположим, что для появления разумных видов также потребуется 4,5 миллиарда лет (время между формированием Земли и появлением современных людей), и учтем, что наша галактика существует уже 13,5 миллиардов лет, то остается окно в 9 миллиардов лет.

За 9 миллиардов лет могло появиться и исчезнуть несколько цивилизаций, и хотя ни один вид не мог колонизировать всю галактику, трудно представить, что эта деятельность осталась бы незамеченной.

В сложившихся обстоятельствах можно прийти к выводу, что в дополнение к тому, что они ограничивают возможности цивилизации, здесь действуют и другие ограничивающие факторы (Великий фильтр, кто-нибудь?)

Однако важно напомнить себе, что ни одно предлагаемое решение парадокса Ферми не лишено недостатков.

Кроме того, ожидать, что у теории или теоретика будут все ответы на такой сложный вопрос (но бедный данными), как существование инопланетян, почти так же нереалистично, как ожидать согласованности в поведении самих внеземных цивилизаций!

В целом, эта гипотеза очень полезна, потому что она разрушает многие предположения, присущие «факту А».

Он также представляет собой вполне логичную отправную точку для ответа на фундаментальный вопрос. Почему мы ничего не слышали от ETI? Потому что нереально сделать вывод, что к настоящему времени они должны были колонизировать лучшую часть галактики, особенно когда законы физики (какими мы их знаем) исключают такое.