Великое молчание: наука и философия парадокса Ферми - Милан М. Чиркович

астрофизический фон, необходимый для возникновения разумных существ. Хотя в общих чертах вопрос о важности космологии для астробиологических исследований подробно обсуждался в книге «Астробиологический ландшафт»,2 здесь я попытаюсь представить лишь краткий обзор некоторых ключевых данных и концепций с общей точки зрения SETI, сделав упор на темах, имеющих непосредственное отношение к парадоксу Ферми. В частности, сначала я представлю новую стандартную космологическую парадигму как общий базис для эволюции любого типа сложности, особенно тех ее пиков, которые представляют собой цели для SETI — то есть сообществ разумных наблюдателей. Одной из ключевых концепций, значимых для парадокса Ферми, является существование космологических горизонтов, очерчивающих пространственно-временной объем, в пределах которого имеет смысл искать следы и проявления таких разумных сообществ. Наконец, на локальном астрономическом уровне в Млечном Пути мы обратимся к конкретной подобласти — Галактической зоне обитаемости, где наиболее вероятно протекание процессов абиогенеза и ноогенеза. Хотя это не ограничивает протяженность региона, содержащего потенциальные цели для SETI, это, безусловно, влияет на его форму и эволюцию. Концепции, представленные в этой главе, будут активно использоваться при формулировании и оценке различных частных гипотез разрешения парадокса Ферми в главах 4–7.3

2.1  Новая стандартная космологическая модель

Космология после 1998 года ознаменовалась появлением новой парадигмы, часто называемой новой стандартной космологической моделью, которая представляет собой пересмотр стандартной космологии, сложившейся после 1965 года и открытия реликтового излучения. Наблюдения космологических сверхновых, опубликованные в 1998 году (и принесшие исследователям Нобелевскую премию по физике в 2011 году), подкрепленные данными космического аппарата WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) и миссии Planck, разрешили загадку «трех чисел» классической космологии и положили начало современной эпохе исследований происхождения крупномасштабной структуры Вселенной.4 Хотя именно эта новая стандартная космология (также называемая моделью Lambda-Cold Dark Matter, или λCDM) служит основой для нашего исследования парадокса Ферми, здесь уместно сделать несколько исторических замечаний по ряду причин, включая проведение часто упоминаемой аналогии между нашей проблемой и старинным космологическим ребусом — парадоксом Ольберса (парадоксом «темного ночного неба»).

Первая космологическая революция фактически произошла в 1920-х и 1930-х годах, когда применение локальной теории гравитации Эйнштейна — общей теории относительности — впервые позволило объяснить поразительный новый факт: глобальное расширение Вселенной. Модели Фридмана, представляющие собой динамические решения уравнений поля Эйнштейна для космологического случая, показали, что Вселенная эволюционирует из первоначального состояния экстремальной плотности и что ее прошлое конечно. Начальная сингулярность, поначалу считавшаяся математическим артефактом, не имеющим связи с физической реальностью, уступила место «первичному атому» Леметра и «космическому яйцу» Гамова, которые впоследствии развились в космологические модели Большого взрыва в том виде, в каком мы знаем их сегодня. После периода «великих споров» (1948–1965 годы) эта конечная протяженность прошлого нашего космологического домена — и тем более конечный возраст любой структуры внутри него — была окончательно доказана. Этот период ознаменовался становлением космологии как прочно обоснованной эмпирической физической науки в ходе серии экспериментальных проверок различных парадигм, кульминацией которых стало открытие реликтового излучения Пензиасом и Вильсоном в 1965 году.5 Однако количественная точность была достигнута лишь в период после 1998 года благодаря использованию таких передовых инструментов, как обсерватории COBE, WMAP и Planck, наблюдениям сверхновых на космологических расстояниях и составлению огромных каталогов галактик, таких как Слоановский цифровой обзор неба (Sloan Digital Sky Survey).6

Кроме того, вокруг формирующейся парадигмы Большого взрыва возникли вспомогательные теории — показавшие первоклассные результаты! — такие как теория первичного нуклеосинтеза (очень успешная), теория формирования структуры λCDM (успешная частично) и различные инфляционные сценарии (все еще довольно умозрительные, но обладающие огромным объяснительным потенциалом). Становление новой области квантовой космологии, а также все более тесная синергия между физикой элементарных частиц и космологией ранней Вселенной способствовали настоящему взрыву космологических открытий, свидетелями которого мы стали за последние три десятилетия или около того.

Самым важным процессом в истории нашей Вселенной является формирование структуры, которое можно интерпретировать как нарушение космологического принципа однородности и изотропии Вселенной на больших пространственных масштабах. Это конкретный пример ключевого фундаментального процесса спонтанного нарушения симметрии, который обусловливает весь — или почти весь — информационный объем Вселенной. Мы можем представить себе очень раннее состояние Вселенной как однородный «суп» из элементарных частиц и полей, полностью описываемый небольшим объемом информации (например, спектром частиц, плотностью и температурой), измеряемым максимум десятками или сотнями битов. Сегодня Вселенная невероятно сложна: для адекватного описания той ее части, что находится внутри нашего космологического горизонта, требуется, возможно, до 10¹²⁰ битов.7 Большая часть этой сложности сосредоточена в живых существах — как на Земле, так и везде, где они могут обитать; еще более грандиозным потенциальным «резервуаром» сложности служат разумные существа и их творения, некоторые из которых как раз и могут быть обнаружены в ходе современных и будущих исследований SETI.

Возраст Вселенной, согласно самым последним высокоточным космологическим данным, составляет8

τ = (13.798 ± 0.037) × 109 years. (2.1)

Этот результат был получен на основе согласования различных измерений — в первую очередь со спутников Planck и WMAP — с наблюдениями ранних сверхновых типа Ia и степенью кластеризации обычных светящихся галактик при различных красных смещениях (так называемыми барионными акустическими осцилляциями). Как минимум, это верхняя граница возраста любого объекта или любого типа структуры внутри нашего космологического домена (который представляет собой более широкое множество, нежели просто видимая Вселенная; под последней понимается Вселенная внутри нашего космологического горизонта; см. раздел 2.4). Конечно, более существенной с астробиологической точки зрения является эпоха начала обитаемости, для которой должны быть выполнены соответствующие условия, особенно те, что связаны с формированием землеподобных планет. В недавней статье Абрахам Лёб утверждал, что в очень ранней Вселенной существовал короткий период продолжительностью около 7 млн лет (примерно через 10 млн лет после Большого взрыва), когда энергия, необходимая для жизни, могла обеспечиваться реликтовым излучением (которое в ту эпоху, конечно, еще не было в полном смысле микроволновым, поскольку максимум его излучения приходился на инфракрасную область спектра, что соответствовало температурному диапазону 273–373 К, в котором существует жидкая вода).9 Это позволило бы планетам — если таковые вообще существовали столь рано, что пока неясно — на далекой периферии их планетных систем быть обитаемыми независимо от их родительских звезд. Тот факт, что металличность, необходимая для формирования не только форм жизни, но и самих планет земного типа или их спутников, в то время была бы крайне низкой, а также кратковременность этой эпохи, служат весомыми аргументами против возможности укоренения жизни на столь раннем этапе. Тем не менее, хотя бы на концептуальном уровне, гипотеза Лёба