Цената за посещение на Земята може да е непосилна за извънземните?

Италианско-американският физик Енрико Ферми обядва с някои от колегите си в Националната лаборатория в Лос Аламос, където работи пет години преди това, като част от проекта Манхатън. Според различни спомени разговорът се е насочил към извънземните и наскорошната поредица от НЛО. Тогава Ферми поставя въпроса, който ще влезе в аналите на историята: „Къде са всички?“ Той става основата на Парадокса на Ферми, който се отнася до несъответствието между оценките с висока вероятност за съществуването на извънземен интелект (ETI) и очевидната липса на доказателства за съществуването му.
От времето на Ферми има няколко предложени отговора на въпроса му, което включва съвсем реалната възможност междузвездната колонизация да следва основното правило на Теорията за проникване. Едно от ключовите предположения зад парадокса на Ферми е, че предвид изобилието от планети и възрастта на Вселената, една напреднала екзоцивилизация е трябвало да колонизира значителна част от нашата галактика досега. Това със сигурност има основание, като се има предвид, че само в галактиката Млечен път (която е на възраст над 13,5 милиарда години) има около 100 до 400 милиарда звезди.

Друго ключово предположение е, че интелигентните видове ще бъдат мотивирани да колонизират други звездни системи като част от някакъв естествен стремеж към изследване и разширяване обхвата на тяхната цивилизация. Не на последно място, се предполага, че междузвездното космическо пътуване би било осъществимо и дори практично за напреднала екзоцивилизация. Но това от своя страна се свежда до предположението, че технологичният напредък ще осигури решения на най-голямото предизвикателство на междузвездното пътуване.
Накратко, количеството енергия, необходимо на един космически кораб да пътува от една звезда до друга, е твърде голямо, особено когато става въпрос за големи космически кораби с екипаж. През 1905 г. Айнщайн публикува основната си статия, в която усъвършенства своята специална теория на относителността. Това е опитът на Айнщайн да съчетае законите на Нютон за движението с уравненията на електромагнетизма на Максуел, за да обясни поведението на светлината. Тази теория по същество гласи, че скоростта на светлината (освен че е постоянна) е абсолютна граница, извън която обектите не могат да пътуват. Това е обобщено от известното уравнение, E = mc2, което иначе е известно като „еквивалентност маса-енергия“.
Казано по-просто, тази формула описва енергията (E) на частицата в нейната почиваща рамка като произведение на масата (m) със скоростта на светлината на квадрат (c2) – приблизително. 300 000 км / сек. Следствие от това е, че когато даден обект се приближи до скоростта на светлината, неговата маса неизменно се увеличава. Следователно, за да може даден обект да достигне скоростта на светлината, ще трябва да се изразходва безкрайно количество енергия, за да го ускори. След като е постигнато, масата на обекта също ще стане безкрайна. Накратко, постигането на скоростта на светлината е невъзможно, камо ли да я надвишаваме. Така че, изключвайки някаква огромна революция в нашето разбиране за физиката, задвижващата система по-бързо от светлината (FTL) никога не може да съществува.

Такава е последицата от живота в релативистка Вселена, където пътуването с дори малка част от скоростта на светлината изисква огромно количество енергия. И докато някои много интересни и иновативни идеи са създадени през годините от физици и инженери, които искат да видят междузвездното пътуване да стане реалност, нито една от концепциите с екипаж не е това, което бихте могли да наречете „рентабилно“.
Това повдига много важен философски въпрос, който е свързан с Парадокса на Ферми и съществуването на ETI. Това е не друг, а Принципът на Коперник, наречен в чест на известния астроном Николай Коперник. Този принцип е продължение на аргумента на Коперник за Земята, която не е в уникално и привилегировано положение във Вселената.
Разширен до космологичната сфера, принципът основно твърди, че когато се разглежда възможността за интелигентен живот, не бива да се приема, че Земята (или човечеството) са уникални. По същия начин този принцип твърди, че Вселената, каквато я виждаме днес, е представителна за нормата или че е в състояние на равновесие.
Противоположната гледна точка, че човечеството е в уникално и в привилегировано положение да наблюдава Вселената, е това, което е известно като антропен принцип. Накратко, този принцип гласи, че самият акт на наблюдение на Вселената за признаци на живот и интелигентност изисква законите, които я управляват, да са благоприятни за живота и интелигентността.
Ако приемем Принципа на Коперник като ръководен принцип, ние сме принудени да признаем, че всеки интелигентен вид ще се сблъска със същите предизвикателства при междузвездния полет като нас. И тъй като не предвиждаме начин да ги заобиколим, като изключим значителен пробив в нашето разбиране за физиката, може би нито един друг вид не е намерил такъв. Може ли това да е причината за „Голямата тишина“?
Идеята, че разстоянието и времето могат да бъдат фактор (във връзка с Парадокса на Ферми) е получила доста внимание през времето. Карл Сейгън и Уилям I. Нюман предполагат в своето проучване от 1981 г. „Галактически цивилизации: Динамика на населението и междузвездна дифузия“, че сигналите и сондите от ETI може да не са достигнали Земята все още. Това беше посрещнато с критика от други учени, които твърдяха, че това противоречи на Коперниковия принцип.
Според изчисленията на Сейгън и Нюман времето, необходимо на ETI да изследва цялата галактика, е равно или по-малко от възрастта на самата галактика (13,5 милиарда години). Ако сондата или сигналите на предполагаема екзоцивилизация все още не са достигнали до нас, това би означавало, че разумният живот е започнал да се появява в по-близкото минало. С други думи, галактиката е в състояние на неравновесие, преминавайки от състояние на необитаемост в обитавана.
Джефри А. Ландис обаче е този, който представя може би най-убедителният аргумент относно ограниченията, наложени от законите на физиката. В своя доклад от 1993 г. „Парадоксът на Ферми: подход, основан на теорията за проникването“, той твърди, че в резултат на относителността една екзоцивилизация ще може да се разширява досега само в галактиката. В основата на аргумента на Ландис беше концепцията за математическа и физическа статистика, известна като „теория на просмукване“, която описва как се държи мрежата при премахване на възли или връзки.
В съответствие с тази теория, когато достатъчно от връзките на мрежата бъдат премахнати, тя ще се разпадне на по-малки свързани клъстери. Според Ландис, същият този процес е полезен при описването на това, което се случва с хората, ангажирани с миграция. Накратко, Ландис предполага, че в галактика, където интелигентният живот е статистически вероятен, няма да има „еднородност на мотива“ сред извънземните цивилизации. Вместо това, неговият модел предполага голямо разнообразие от мотиви, като някои избират да излязат и колонизират, докато други решат да „останат у дома“. Както той го обясни: „Тъй като е възможно, предвид достатъчно голям брой извънземни цивилизации, една или повече със сигурност биха се задължили да го направят, вероятно по непознаваеми за нас мотиви. Колонизацията ще отнеме изключително много време и ще бъде много скъпа. „Съвсем разумно е да се предположи, че не всички цивилизации ще се интересуват от това да направят толкова големи разходи за изплащане далеч в бъдеще.
Човешкото общество се състои от смесица от култури, които изследват и колонизират, понякога на изключително големи разстояния, и култури, които нямат интерес да го правят. “ За да обобщим, един напреднал вид не би колонизирал галактиката бързо или последователно. Вместо това, той ще „проникне“ навън на крайно разстояние, където нарастващите разходи и времето на забавяне между наложените ограничения и колониите еволюират в собствените си култури. По този начин колонизацията няма да бъде еднородна, а ще се случи в клъстери с големи площи, останали неколонизирани по всяко време.
Подобен аргумент беше направен през 2019 г. от Адам Франк и екип от изследователи на екзопланети от Nexus за науката за екзопланетарните системи (NExSS) на НАСА. В изследване, озаглавено „Парадоксът на Ферми и ефектът на Аврора: уреждане на екзоцивилизацията, разширяване и стабилни състояния“, те твърдят, че заселването на галактиката също ще се случи в клъстери, тъй като не всички потенциално обитаеми планети биха били гостоприемни за колонизиране видове. Разбира се, моделът на Ландис съдържа някои собствени предположения, които той излага предварително.
Първо, приема предположението, че междузвездното пътуване е трудно поради законите на физиката и че има максимално разстояние, на което колониите могат да бъдат директно установени. Следователно цивилизацията ще колонизира само на разумно разстояние от дома си, след което по-късно ще настъпи вторична колонизация. Второ, Ландис също прави предположението, че родителската цивилизация ще има слаба представа за всички колонии, които създава, и времето, необходимо за тяхното развитие ще бъде много дълго. Следователно, всяка създадена колония ще развие своя собствена култура с течение на времето и нейните хора ще имат чувство за себе си и идентичност, различно от това на родителската цивилизация.
Ще отнеме между 1000 и 81 000 години, за да достигнем Проксима Кентавър (на 4.24 светлинни години) с помощта на съвременната технология. Въпреки че съществуват концепции, които биха позволили релативистично пътуване (част от скоростта на светлината), времето за пътуване все още ще бъде от няколко десетилетия до повече от век. Нещо повече, цената би била изключително непосилна.
За да поставим нещата в перспектива, помислете за разходите, свързани със собствената история на човечеството за изследване на космоса. Изпращането на астронавти на Луната като част от програмата „Аполо“ между 1961 и 1973 г. струва солидни 25,4 милиарда щатски долара, което днес възлиза на около 150 милиарда щатски долара (когато се коригира с инфлацията). Но Аполо не се появява във вакуум и първо изисква Проект Меркурий и Проект Близнаци като стъпала. Тези две програми, които изведоха първите американски астронавти в орбита и разработиха необходимия опит за достигане до Луната, съответно възлизаха на около 2,3 млрд. и 10 млрд. долара (когато се коригират). Съберете всички и ще получите общо около 163 милиарда щатски долара, похарчени от 1958 до 1972 година.
За сравнение, проектът Artemis, който ще върне астронавтите на Луната за първи път от 1972 г., ще струва US $ 35 милиарда само през следващите четири години! Това не включва разходите за получаване на всички различни компоненти до този етап. Това са много пари, само за да стигнете до единствения спътник на Земята. Но това не е нищо в сравнение с разходите за междузвездни мисии! От зората на космическата ера са направени много теоретични предложения за изпращане на космически кораби до най-близките звезди. В основата на всяко едно от тези предложения стои една и съща грижа: можем ли да достигнем до най-близките звезди за времето на живота си? За да отговорят на това предизвикателство, учените обмислят редица усъвършенствани задвижващи стратегии, които биха могли да изтласкат космическите кораби до релативистки скорости. От тях най-ясният определено беше проект „Орион“ (1958 до 1963 г.), който ще разчита на метод, известен като ядрено импулсно задвижване.
Воден от Тед Тейлър и Фрийман Дайсън от Института за напреднали изследвания в Принстънския университет, този проект предвижда масивен космически кораб, който ще използва експлозивната сила, генерирана от ядрени бойни глави, за да генерира тяга. Тези бойни глави щяха да бъдат освободени зад космическия кораб и детонирани, създавайки ядрени импулси. Те биха били погълнати от монтирана отзад притискаща плоча (известна още като „тласкач“), която превежда експлозивната сила в инерция напред. Макар и неелегантна, системата беше брутално проста и ефективна и теоретично можеше да постигне скорости до 5 процента от скоростта на светлината (5,4 × 107 км / час или 0,05 с). Уви, цената. Според изчисленията, направени от Дайсън през 1968 г., космически кораб „Орион“ ще тежи между 400 000 и 4 000 000 метрични тона. Най-консервативните оценки на Дайсън също така поставят разходите за изграждане на такъв кораб на 367 милиарда щатски долара (2,75 трилиона днешни щатски долара, когато се коригира спрямо инфлацията). Това е около 78 процента от годишните приходи на правителството на САЩ за 2019 г. и 10 процента от БВП на страната.
Друга идея беше да се построят ракети, които да разчитат на термоядрени реакции, за да генерират тяга. По-конкретно, концепцията за Fusion Propulsion е изследвана от Британското междупланетно общество между 1973 и 1978 г. като част от проучване за осъществимост, известно като Project Daedalus. Полученият дизайн изискваше двустепенен космически кораб, който да генерира тяга чрез сливане на пелети от деутерий / хелий-3 в реакционна камера с помощта на електронни лазери. Това би създало високоенергийна плазма, която след това ще бъде превърната в тяга от магнитна дюза. Първият етап на космическия кораб ще работи за малко повече от 2 години и ще ускори космическия кораб до 7,1 процента от скоростта на светлината (0,071 в). След това този етап ще бъде изхвърлен, а вторият етап ще поеме и ускори космическия кораб до около 12 процента от светлинната скорост (0,12 в) в продължение на 1,8 години. След това двигателят на втория етап ще бъде изключен и корабът ще влезе в 46-годишен круизен период. Според оценките на проекта, мисията ще отнеме 50 години, за да достигне звездата на Барнард (на по-малко от 6 светлинни години). До Проксима Кентавър, същата технология може да направи пътуването за 36 години. Но в допълнение към тези бариери, идентифицирани от проекта, бяха включени и огромните разходи.
Дори и по най-скромния стандарт, напълно зареден Дедал би тежал до 60 000 метрични тона и би струвал над 5,2 трилиона щатски долара по цени за 2012 г. В цени от 2020 г., напълно подготвен за полет Дедал ще струва близо 6 трилиона щатски долара. Оттогава Icarus Interstellar, международна организация от граждански учени доброволци (основана през 2009 г.), се опитва да съживи концепцията с проект Icarus.
Друга смела идея е задвижването с антиматерията, което би разчитало на унищожаването на материята и антиматерията (водородни и антиводородни частици). Тази реакция отприщва толкова енергия, колкото термоядрената детонация, както и дъжд от субатомни частици (пиони и мюони). Тези частици, които след това ще се движат с една трета от скоростта на светлината, се канализират от магнитна дюза за генериране на тяга. За съжаление разходите за производство на дори един грам антиматерийно гориво се оценяват на около 1 трилион щатски долара.
Според доклад на Робърт Фризби от НАСА Advanced Propulsion Technology Group (NASA Eagleworks), двустепенна антиматерийна ракета ще се нуждае от над 815 000 метрични тона гориво, за да пътува до Проксима Кентавър за приблизително 40 години. По-оптимистичният доклад на д-р Даръл Смит и Джонатан Уебби от Аеронавигационния университет Embry-Riddle гласи, че космически кораб с тегло 400 метрични тона и 170 метрични тона антиматериално гориво може да достигне 0,5 скорост на светлината. При този темп корабът може да достигне Проксима Кентавър за малко повече от 8 години, но няма икономически ефективен начин за това и няма гаранции, че ще успее. Във всички случаи горивото съставлява голяма част от общата маса на тази концепция. За справяне с това са предложени варианти, които биха могли да генерират собствено гориво.
В случай на термоядрени ракети има Bussard Ramjet, който използва огромна електромагнитна фуния, за да „загребе“ водорода от междузвездната среда и магнитните полета, за да го компресира до точката на възникване на синтез. По същия начин има система за междузвездно изследване на ракета „Вакуум към Antimatter“ (VARIES), която също създава свое собствено гориво от междузвездната среда. Предложен от Ричард Оузи от Икар Интерстелар, кораб VARIES би разчитал на големи лазери (задвижвани от огромни слънчеви решетки), които биха създали частици от антиматерия, когато се изстреля в празно пространство.
Уви, нито една от тези идеи не е възможна с помощта на съвременните технологии, нито те са в сферата на рентабилността. При тези обстоятелства и без да се допускат няколко основни технологични разработки, които биха намалили свързаните с това разходи, би било справедливо да се каже, че всяка идея за междузвездни мисии с екипаж е просто непрактична. Изпращането на сонди на други звезди в нашия живот все още е в сферата на възможностите, особено тези, които разчитат на задвижване с насочена енергия (DEP). Както показват предложения като Breakthrough Starshot или Project Dragonfly, те могат да бъдат ускорени до релативистични скорости и да разполагат с целия необходим хардуер за събиране на снимки и основни данни на всякакви екзопланети.
Такива сонди обаче са потенциално надеждно и рентабилно средство за междузвездно изследване, а не за колонизация. Нещо повече, забавянето във времето, свързано с междузвездните комуникации, все още би поставило ограничения за това колко далеч могат да изследват тези сонди, докато все още докладват на Земята. Следователно екзоцивилизацията няма вероятност да изпрати сонди далеч извън границите на своята територия.
Възможна критика на теорията за просмукване е, че тя позволява много сценарии и интерпретации, които биха позволили контакт да се е случил в този момент. Ако приемем, че на интелигентен вид също ще са необходими 4,5 милиарда години (времето между формирането на Земята и съвременните хора) и считаме, че нашата галактика съществува от 13,5 милиарда години, това все още оставя 9 милиарда години прозорец. В продължение на 9 милиарда години множество цивилизации биха могли да дойдат и да си отидат и макар че никой вид не би могъл да колонизира цялата галактика, трудно е да си представим, че тази дейност щеше да остане незабелязана.
При тези обстоятелства човек може да бъде принуден да заключи, че освен че са ограничени от развитието на цивилизацията, тук действат и други ограничаващи фактори. Важно е обаче да си напомним, че нито един предложен отговор на парадокса на Ферми не е без слабости. Освен това очакването на теория или теоретик да има всички отговори на даден толкова сложен (но беден на данни) въпрос, колкото и съществуването на извънземни, е почти толкова нереалистично, колкото да се очаква последователност в поведението на самите ETI! И така, защо не сме открили нито една извънземна цивилизация? Защото е нереалистично да се заключи, че досега е трябвало да колонизират по-голямата част на галактиката, особено когато законите на физиката (такива, каквито ги познаваме) изключват подобно нещо.