Нова теорія показує, як цивілізації можуть поширюватися в космосі, як лісова пожежа

Пошуки позаземного розуму (SETI) завжди страждали від невизначеності. Маючи лише одну придатну для життя планету (Землю) і одну технологічно розвинену цивілізацію (людство) як приклади, вчені все ще обмежуються теоретизуванням про те, де можуть бути інші розумні форми життя (і що вони можуть робити).

Через шістдесят років відповідь на знамените запитання Фермі («Де всі?») залишається без відповіді.

Позитивною стороною є те, що це дає нам багато можливостей для висунення гіпотез про можливі місця, дії та техносигнатури, які можна перевірити майбутніми спостереженнями.

Однією з можливостей є те, що ріст цивілізацій обмежений законами фізики та пропускною спроможністю планетарних середовищ – так само. Гіпотеза теорії перколяції .

У недавньому дослідженні команда з Університету Філіппін Лос-Банос вийшла за межі традиційної теорії перколяції, щоб розглянути, як цивілізації можуть розвиватися в трьох різних типах Всесвіту (статичному, з домінуванням темної енергії та з домінуванням матерії). Їхні результати показують, що, залежно від структури, розумне життя має кінцеву кількість часу, щоб заселити Всесвіт, і, ймовірно, буде робити це експоненціально.

Дослідження провели Аллан Л. Алінеа та Седрікс Джейк К. Джадрін, доцент кафедри фізики та викладач Інституту математичних наук і фізики Університету Філіппін Лос-Банос. Препринт їхньої статті « Перколяція «цивілізації» в гомогенному ізотропному всесвіті » нещодавно з’явився в мережі.

У своєму дослідженні команда розглянула, як традиційну теорію перколяції можна інтерпретувати в термінах функції логістичного зростання (LGF), де темпи зростання населення на душу населення стають меншими, коли чисельність населення наближається до максимуму, встановленого обмеженнями місцевих ресурсів (він же. вантажопідйомність).

Теорія перколяції

Коротко кажучи, теорія перколяції описує, як поводяться мережі, коли вузли або зв’язки видаляються, при цьому вони розбиваються на менші з’єднані кластери.

Перший відомий випадок застосування цієї теорії до парадоксу Фермі був, мабуть, зроблений Карлом Саганом і Вільямом I. Ньюменом у 1981 році. У статті під назвою « Галактичні цивілізації: динаміка населення та міжзоряна дифузія » вони стверджували, що причина, чому людство не стикалися з позаземними цивілізаціями (ETC) через те, що міжзоряні дослідження та заселення не є лінійними явищами.

На відміну від гіпотези Харта-Тіплера , яка стверджує, що розвинені ЕТЦ давно колонізували б нашу галактику (отже, вони не існують), Саган і Ньюмен постулювали, що дослідження міжзіркового простору є питанням дифузії.

Джефрі А. Лендіс висловлював ті самі думки у своїй статті 1993 року « Парадокс Фермі: підхід, заснований на теорії перколяції », де він стверджував, що закони фізики накладають обмеження на міжзоряний ріст.

За словами Лендіса, від позаземних цивілізацій не можна очікувати «одноманітності мотивів»:

«Оскільки це можливо, враховуючи досить велику кількість позаземних цивілізацій, одна або кілька напевно взялися б зробити це, можливо, з невідомих нам мотивів. Колонізація займе дуже багато часу та коштуватиме дуже дорого.

«Цілком розумно припустити, що не всі цивілізації будуть зацікавлені в тому, щоб зробити такі великі витрати, щоб окупитися далеко в майбутньому. Людське суспільство складається із суміші культур, які досліджують і колонізують, іноді на надзвичайно великі відстані, і культури, які не зацікавлені в цьому».

Подібним чином професор Адам Франк і його колеги з NASA Nexus for Exoplanetary Systems Science (NExSS) у 2019 році написали статтю під назвою « Парадокс Фермі та ефект Аврори: заселення, розширення та стійкі стани екзоцивілізації ». Натхненні романом Кіма Стенлі Робінсона «Аврора» 2015 року вони стверджували, що міжзоряне поселення відбуватиметься скупченнями, оскільки не всі потенційно населені планети будуть гостинними для інопланетних видів. Коротше кажучи, закони фізики, біології та еволюції накладають обмеження на те, як далеко і швидко вид може заселити нашу галактику.

Розв’язання для T&H

Щоб обмежити ці межі, команда розглянула три основні космологічні моделі Всесвіту, включаючи статичну, з домінуванням матерії та з домінуванням темної енергії.

Статичний Всесвіт, як його спочатку описав Ейнштейн і його космологічна константа , є нескінченним з точки зору простору та часу і не розширюється і не стискається.

Всесвіт, де домінує матерія, описує стан Всесвіту до 9,8 мільярдів років після Великого вибуху , коли щільність енергії речовини перевищувала як щільність енергії випромінювання, так і щільність енергії вакууму.

Всесвіт, де домінує темна енергія, описує останню фазу космічної еволюції, яка почалася приблизно 9,8 мільярда років тому і характеризується прискореним темпом розширення.

Команда також розглянула всі три сценарії з точки зору функції логістичного зростання, щоб визначити кількість планет, заселених з часом. З цього команда отримала два параметри свого дослідження: T, час, необхідний для встановлення сферичної ділянки ідеального Всесвіту, який одночасно є однорідним та ізотропним, і H, параметр Хаббла, який описує швидкість космічного розширення – він же Закон Хаббла або закон Хаббла-Леметра.

Для статичного Всесвіту вони виявили, що розселення слідує за LGF, подібно до зростання населення, поширення інфекційних захворювань і хімічних реакцій. Як вони зазначили у своєму дослідженні, ці динамічні системи слідують загальній моделі, починаючи з відносно повільного старту через обмежені джерела (у цьому випадку планети, придатні для життя).

Але, оскільки вони продовжують розширюватися та отримувати нові джерела, це примножує кількість доступних даних, і поширення прискорюється. Це триває до тих пір, поки кількість джерел не почне скорочуватися і/або елементи системи не вичерпаються.

На свій подив, команда помітила подібну поведінку, дивлячись на всесвіт, де домінує матерія та темна енергія. Як сказала доктор Алінея Universe Today електронною поштою.

«Примітно, що коли сам простір розширюється, як у всесвітах, де домінує темна енергія та матерія, процес заселення, здебільшого, все ще відбувається за функцією логістичного зростання. Ми не очікували такого результату, оскільки система з розширенням простору здавалося нам суттєво відмінним від статичної системи.

«Більшість досліджень перколяції, які ми знаємо, базуються на статичній решітці (наприклад, поширення лісової пожежі, розповсюдження хвороб, поширення інформації), де зазвичай спостерігається логістична поведінка зростання. Наше дослідження «поширює» цю поведінку на випадки, коли решітка розширюється, як наш власний Всесвіт».

Тим не менш, вони виявили, що у всесвіті, що розширюється, є затримка з точки зору швидкості заселення порівняно зі статичним. Для Всесвіту, де домінує темна енергія, вони виявили, що загальний час заселення (T) був позначений розбіжністю для достатньо великої швидкості розширення (H). Відповідно до закону Хаббла, коли H достатньо велике, деякі планети розширюються за горизонт і стають «недосяжними».

По суті, віддалені планети можуть віддалятися швидше за швидкість світла, що робить малоймовірним те, що цивілізація, що розширюється, коли-небудь досягне їх.

Вони також виявили, що у випадках, коли сфера Хаббла (H) була меншою, зв’язок між T і H був лінійним – іншими словами, T приблизно дорівнював H (T ~ H). Для Всесвіту, де домінує матерія, їхні висновки показали, що там, де H було таким же малим, застосовувалося те саме співвідношення, але там, де H ставало більшим, співвідношення значно змінювалося до T~ H2.

У порівнянні з Всесвітом, де домінує темна енергія, T не зростає експоненціально і не досягає нескінченності, якщо H не було нескінченним. Сказав Alinear:

«Це цікаво, оскільки Всесвіт, де домінує матерія, також характеризується горизонтом. Це означає, що планети, досить віддалені від контрольної планети у цьому Всесвіті, віддаляються зі швидкістю, вищою за швидкість світла, що створює враження, що вони недоступні.

«Однак для всесвіту, де домінує матерія, відповідно до рівняння Фрідмана , сфера Хаббла, що рухається, стискається, а не розширюється. Простіше кажучи, це планети, розташовані далеко від контрольної планети у цьому Всесвіті (які спочатку «рухаються» швидше). ніж швидкість світла) «сповільнюються», що робить їх доступними, принаймні в принципі».

Отже… Де вони?

Завдяки отриманим результатам команда встановила, що розвинені цивілізації, як правило, дотримуватимуться тенденції зростання, яка починається повільно, але з часом набирає обертів, зрештою сповільнюючись і зупиняючись, коли кількість «досяжних» планет вичерпується.

Як описав доктор Алінеал, «Ця модель характеризується трифазною схемою: повільна швидкість розрахунків –> швидка швидкість розрахунків –> повільна швидкість розрахунків».

Залишається питання: що це означає для освяченого часом питання Фермі? Як цей трифазний шаблон допомагає нам уточнювати пошук розвинених цивілізацій, що поширюються галактикою?

У зв’язку з цим команда прийшла до висновку, що наша галактика зараз може перебувати в фазі I, яка характеризується повільним темпом заселення. Це може бути тому, що лише кілька розумних, розвинених цивілізацій зараз займаються міжзоряними поселеннями.

«Ця повільна фаза може посилюватися великими відстанями між «живими» планетами. Але як тільки буде досягнуто деяку кількість мандрівних цивілізацій, ми можемо увійти у фазу II, яка характеризується швидким темпом заселення. Якщо врахувати достатньо часу після входу в цю фазу, ми можемо нарешті передай привіт інопланетянам там».

Крім того, їхні результати стосуються можливості того, що колись людство стане міжзоряним видом, можливо, як засіб забезпечення подальшого виживання та розвитку нашого виду. Це являє собою виклик у всесвіті, який постійно розширюється, постійно прискорюється, де домінує Темна енергія . Але, як резюмував доктор Алінеал, є варіанти:

«Враховуючи достатню кількість технологій, щоб подорожувати зі швидкістю, близькою до світла, все ще важко досягти будь-якої планети у Всесвіті, особливо далеких планет. Зважаючи на це, існує сферична частина цього Всесвіту з центром у нашому місці, чиї планети доступні, принаймні в принципі, для можливого поселення. Окрім цього, існують планети, які “віддаляються” від нас зі швидкістю, вищою за швидкість світла, і можуть бути недоступними. На жаль, ця сфера зменшується, тому частина Всесвіту який ми можемо населити, хоча він великий у людському масштабі, з часом стає все меншим і меншим».

«Якщо існує механізм, який приводить Всесвіт до такого стану, щоб швидкість його розширення була такою ж або схожою на швидкість розширення всесвіту, де домінує матерія, тоді нам пощастило б мати Всесвіт, який, у принципі, можна колонізувати. на будь-якій відстані від нас; тобто колонізація та людський вплив у Всесвіті не обмежені жодною сферою, на відміну від Всесвіту, де домінує темна енергія».

Підводячи підсумок, можна сказати, що відповідь на запитання Фермі може полягати в тому, що розвинені цивілізації перебувають на ранній, повільній фазі експансії, яка (поки що) заважає нам встановити контакт.

Але оскільки сферичний об’єм простору Хаббла (H), який ми могли б зайняти, розширюється, ми, швидше за все, наблизимося до чужого простору настільки близько, що нарешті зрозуміємо, що ми не самотні у Всесвіті. Подібним чином, хоча темна енергія може обмежити, наскільки далеко ми можемо досягти (в межах нашої галактики, не набагато далі), достатній об’єм простору забезпечив би наш продовжений розвиток і міг би запобігти єдиному катаклізму, який забрав би всі наші види.

А хто знає? Можливо, космічне розширення не триватиме, як це відбувалося протягом останніх 4 мільярдів років, і Всесвіт сповільниться та досягне свого роду гомеостазу – такого, у який волів вірити Ейнштейн.

У такому випадку наші сфери Хаббла можуть продовжувати розширюватися нескінченно, і не буде недоліку в змішуванні між космічними цивілізаціями. Це відкриває захоплюючі перспективи, чи не так?