Проблема существования и поиска внеземных цивилизаций

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".

[Таблица 2. Предлагаемые радиочастоты  связи]

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).

[Таблица 3. Зависимость мощности  передатчика Р от длины волны   для связи на растоянии R = 103 св. лет при использовании нп приеме передаче антенн различных диаметров D и при заданных значениях плотности потока энергии сигнала S]

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/R2 2 [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.