Решение парадокса Ферми: асимптотическое истощение и гомеостатическое пробуждение

Где все?

Very Large Array near Socorro, NRAO/AUI/NSF, JEFF HELLERMAN

Авторский пересказ статьи Asymptotic burnout and homeostatic awakening: a possible solution to the Fermi paradox?


Как-то раз в 1950 году Эмиль Конопинский, Эдвард Теллер, Герберт Йорк и Энрико Ферми рассуждали о летающих тарелках и зеленых человечках по дороге в Fuller Lodge. Это обеденный зал в Los Alamos, в котором в то время трапезничали ученые из Манхэттенского проекта.

Конопинский еще вспомнил, что у него в памяти сразу всплыла иллюстрация к статье в New Yorker’е, в которой обсуждалась таинственная пропажа мусорных баков, и не могут ли быть к ней причастны летающие тарелки.

Когда почтенная публика уже расположилась за столом и продолжила дискуссию, разговор перешел на возможность преодоления скорости света, а потом и вовсе на какие-то светские вопросы. И тут Ферми внезапно спросил “Так а где все?” (Where is everybody?). Хоть фраза и появилась в отрыве от контекста, все поняли, что Энрико имеет в виду внеземные цивилизации. Он прикинул вероятность наличия планет похожих на Землю, появления жизни на Земле, появления человека, рассвет и развитие высоких технологий. И на основании этих прикидочных вычислений заключил, что нас уже давно и неоднократно должны были бы посетить другие цивилизации с далеких звёзд. Или хотя бы мы должны были обнаружить какие-то их следы. А вот в том, почему этого (насколько мы знаем) не произошло и заключается парадокс Ферми. 

Уравнение Дрейка

Гипотетическое уравнение Дрейка – чуть ли не первое, что вспоминают в связи с парадоксом Ферми. Фрэнк Дрейк, американский астроном и астрофизик, основатель проекта SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence) вывел формулу подсчета возможного количества внеземных цивилизаций N, на которые мы может наткнуться, если они не сделают этого раньше.

  1. R*, средняя скорость формирования звёзд.
  2. fp, доля звёзд, имеющих планеты.
  3. ne, среднее количество имеющих планеты звёзд, среди которых встречается планета, способная поддерживать жизнь [на самом деле — среднее количество планет звезды, способных поддерживать жизнь / прим. перев.]
  4. fl доля этих планет, на которых жизнь зародилась.
  5. fi доля планет с жизнью, где появилась разумная жизнь.
  6. fc доля этих планет с разумной жизнью, способной отправлять сообщения через межзвёздное пространство.
  7. L, отрезок времени, который такая цивилизация передаёт или слушает сообщения.

На самом деле, уравнение Дрейка я вспомнил для создания атмосферы, так как к нему очень много вопросов, и с тех пор мы узнали достаточно много (а уравнение было сформулировано в 1961 году).

Жизнь, энергия, информация

Давайте для простоты опеделим жизнь как системы, в которых потоки массы и энергии приводят к производству, передаче и использованию функциональной информации. “Функциональной” считается информация, которая обеспечивает выживание живой системы путем гомеостатических механизмов и самоподдерживающего (автокаталитического) поведения. Энергия обеспечивает кодирование, сохранение и использование информация, а она в свою очередь направляет потоки энергии на поддержание и сохранение системы.

Большие эволюционные преобразования (major evolutionary transitions)

Джон Менард Смит и Эорс Шатмари утверждали, что усложнение жизни происходило путем “больших преобразований” в характеристиках единиц подвергающихся естественному отбору, действующих в живых системах. Соответственно, усложнялись способы кодирования и использования информации.

Они выделили восемь преобразований:

  • Реплицирующиеся молекулы – популяции молекул в компартментах
  • Несвязанные репликаторы – хромосомы
  • РНК как ген и энзим – ДНК и протеин (генетический код)
  • Прокариоты – эукариоты
  • Бесполые клоны – популяции с разными полами 
  • Протисты – животные, растения и грибы (клеточная дифференциация)
  • Отдельные особи – колонии (нерепродуктивные касты)
  • Сообщества приматов – человеческие сообщества (язык)

У многих из них есть общие моменты, а именно:

  1. Сущности способные к независимой репликации до преобразования стали реплицироваться только как части бóльшей сущности после него.
  2. Разделение труда: повішение эффективности достигается специализацией. Сначала РНК играла роль и генетического материала и энзима, а сейчас большинство энзимов это протеины.
  3. Происходят изменения в языке, хранении и передаче информации. Как пример: появление генетического кода, полового размножения, эпигенетического наследования и человеческого языка.

Можно утверждать, что обработка информации и преобразование энергии эволюционируют автокаталитически: бóльшие способности к обучению и накоплению информации позволяют находить новые источники энергии и новые способы ее освоения, а бóльшее количество источникорв энергии позволяет переход к новым парадигмам преобразования информации.

Датаом

Аграрная революция дала нам излишек энергии, который сделал возможным появление внешних носителей информации, и внешние же способы ее обработки. Книги, архитектура, компьютеры – это все датаом (dataome).

Города – суперорганизмы

Как многоклеточный организм представляет из себя суперагента составленного из множества отдельных клеточных агентов, так и города представляют из себя социобиологический “суперорганизм” из отдельных человеческих агентов. Как организм может терять клетки и приобретать новые оставаясь собой, так и город может терять людей и включать в себя новых оставаясь той же сущностью.

Линейность

Шведский ученый Макс Клейбер заметил, что по мере увеличения размеров растений и животных их продолжительность жизни увеличивается. Эти более крупные организмы также склонны потреблять энергию с меньшей скоростью. Поскольку большинство вещей в природе подчиняются закономерностям, Клейбер решил проверить, не подчиняются ли закономерностям размеры и продолжительность жизни живых существ. То, что он обнаружил, стало известно как закон Клейбера.  До того, как Клейбер опубликовал свой закон, уже существовали первые объяснения того, почему скорость метаболизма изменяется в зависимости от массы тела. Они основывались на соотношении поверхности тела и его объема. Крупные животные имеют пропорционально меньшую площадь поверхности на единицу объема, следовательно, они медленнее теряют тепло тела и, как утверждалось, нуждаются в пропорционально меньшем количестве пищи и имеют относительно более медленный метаболизм. Но, следуя этой аргументации, скорость метаболизма должна изменяться в зависимости от массы в степени 2/3, а не 3/4. Причинно-следственное объяснение закона ¾ отсутствовало до тех пор, пока ученые в 1990-х годах, используя математические модели, не предположили, что геометрия и особенно фрактальная структура кровеносной системы животного может быть причиной экспоненты ¾. 

Инфраструктурные параметры суперорганизмов, как человеческие города, такие как количество бензоколонок, длина электрических кабелей и общее дорожное покрытие – масштабируются сублинейно; они связаны с материальными и энергетическими потоками и поэтому являются аналогом метаболизма в биологии.

А вот параметры, такие как, например, ВВП, заболеваемость, патенты и зарплаты, масштабируются по суперлинейной экспоненте β > 1. Увеличение размеров приводит к увеличенной отдаче.  Чем больше город – тем быстрее темп жизни, тем больше криминала, тем масштабнее и быстрее распространяются заболевания. Что немаловажно – потребление энергии увеличивается тоже суперлинейно. 

Бесконечный рост и сингулярность

Есть любопытная работа посвященная росту, масштабированию и темпу жизни городов. Её авторы вывели формулу роста городов:

где dN/dt – темп роста населения, Y представляет собой ресурсы, необходимые популяции, R – среднее количество ресурсов, необходимых для содержания одного индивидуума, а E – это среднее количество ресурсов, необходимые для добавления нового индивидуума в популяцию. 

Если β > 1, то неограниченный рост приведет к неограниченной популяции потребляющей неограниченное количество энергии в ограниченный промежуток времени. Это приведет к исчерпанию энергетических ресурсов и коллапсу (или регрессу).

Асимптотическое истощение

С экспоненциальным развитием датаома ограничения накладываемые на обмен информацией необходимостью физического присутствия исчезают. Стирая границы между людьми технологии делают возможным функционирование человеческих сообществ как одного глобального города, даже при условии географической удаленности реальных поселений. Это приведет к тому, что продуктивность, рост и потребление ресуосрв столь технологически развитой цивилизацией будут масштабироваться по экспоненте β > 1.

Развитие искусственного интеллекта создаст тенденцию преобладания информационных взаимодействий “технология-технология” над взаимодействиями “человек-человек”, ведь машины не будут ограничены временными и когнитивными рамками – тем, что в совокупности называют “информационным насыщением”, характерным для человеческого опыта.

Избежать кризисных моментов сингулярности (изображенные пунктирными линиями) можно будет путем качественных изменений, “инноваций” или “перезагрузки” (reset), корректирующих траекторию развития цивилизации. Однако, если динамика развития будет сохраняться и β > 1, то передышка будет только временной, вплоть до следующей сингулярности. 

Из выведенной формулы роста городов следует, что при увеличении населения, tcycle – интервал между “перезагрузками” будет уменьшаться.

Цивилизация, в которой социальные взаимодействия приводят к суперлинейному масштабированию, рано или поздно достигает коллапса из-за все учащающихся кризисов сингулярности, за которыми в какой-то момент не успеет скорость появления инноваций, чтобы осуществить “перезагрузку”. Эта концепция называется “асимптотическим выгоранием” (Если посмотреть на кривую на графике, то получается достаточно наглядно). Время истощения\выгорания (burnout) считается от момента появления датаома до коллапса. В нашем случае, например, если завтра наш мир закончится (коллапс), то моментом появления датаома можно считать появление челочеческого языка. 

Давайте вспомним Помпеи, Чичен-Ицу, Вавилон – с городами будущего могут случиться такие же напасти, обусловленные внешними (вроде климатических катастроф), или внутренними (вроде перенаселения) флуктуациями. А со всё большей интегрированностью цивилизации в датаом “катастрофа мизинформации”, когда агенты не смогут отличить реальность от вымысла, может привести к фатальным последствиям. Подумайте о том, как те же криптовалюты требуют все большего количества ресурсов на все более сложные вычисления, не привнося ничего в глобальную стабильность (а скорее совсем наоборот), одна только диссипация ограниченных ресурсов.

Гомеостатическое пробуждение

Как можно избежать коллапса? Сначала “когнитивный горизонт” цивилизации, т.е. способность к пространственно-временному прогнозированию, должен позволить позволит смоделировать траекторию развития и увидеть к чему приводит неограниченный рост. Этот момент можно назвать “пробуждением” (awakening), во время которого можно переориентировать цивилизацию с роста и экспансии на поддержание гомеостаза. В зачаточной форме такие моменты встречались и в человеческой истории. Например, борьба с разрушением озонового слоя, деэскалация после Холодной войны или запрет китобойного промысла.

Шкала́ Кардашёва

Существует гипотетический и спекулятивный, как шкала Дрейка, теоретический метод измерения технологического развития цивилизации, предложенный радиоастрономом Николаем Кардашёвым. Метод основан на количестве энергии, которую она может освоить, и выделяет три типа цивилизаций:

I тип использует все доступные ресурсы планеты,

II тип использует всю энергию звезды,

III тип использует всю доступную єнергию своей галактики.

Утверждается, что если цивилизация типа II становится межзвездной, она должна распространиться по галактике за относительно короткий промежуток времени. Однако, отсутствие доказательств визита внеземных гостей согласуется с убеждением, что цивилизация типа III вряд ли существует в Млечном Пути. 

Истощение и пробуждение в контексте парадокса Ферми

Если мы экстраполируем описанную выше модель развития цивилизации, в которой увеличение популяций и взаимодействие социальных агентов рано или поздно приведет к появлению датаома, то он, в свою очередь, поспособствует достижению уровня глобальной цивилизации. Неограниченно увеличивающей свое население и потребление энергии, масштабирующейся по экспоненте β > 1. И тут у неё, как мы видим из графика, три пути:

  1. В какой-то момент траектории асимптотического истощения, не успеть “перезагрузиться” за счет инноваций и коллапсировать.
  2. Смоделировать и осознать свое возможное будущее, “пробудиться” и переориентироваться на поддержание гомеостаза.
  3. Очень гипотетический (для человечества) вариант проскакивания “бутылочного горлышка” (bottleneck) истощения и развития в цивилизацию III типа.

Последний вариант маловероятен тем, что большинство цивилизаций развивающихся похожим на описанный выше образом сколлапсируют или регрессируют на планетном или субпланетном уровне.

По мнению авторов это статьи, ответить на вопрос Ферми “где все?” можно достаточно просто. Все, кто теоретически мог бы встретиться нам в необъятной Вселенной, либо достигли коллапса в процессе экспоненциального развития  (что, судя по нынешним трендам, грозит и нам), или регрессировали столкнувшись с сингулярностью, или переориентировались с неограниченного роста и экспансии на поддержание гомеостаза. И благоденствуют себе где-нибудь в полный рост.

Мораль здесь не столько в том, насколько вероятно встретить внеземные цивилизации. Даже если они есть, то мы их, скорее всего не встретим. А вот над тем, к чему движется наша собственная цивилизация, самое время задуматься, иначе некому будет бороздить просторы Вселенной в поиске соседей.



Вам понравилось? Поддержите проект!

Leave a reply:

Your email address will not be published.

Site Footer