Парадокс Ферми — Википедия

Наблюдения с использованием радиотелескопов играют важную роль в исследованиях парадокса Ферми

Парадо́кс Фе́рми (англ. Fermi paradox) — отсутствие видимых следов деятельности инопланетных цивилизаций, которые должны были бы расселиться по всей Вселенной за миллиарды лет её развития. Парадокс был предложен физиком Энрико Ферми, который подверг сомнению возможность обнаружения внеземных цивилизаций, и связан с попыткой ответить на один из важнейших вопросов современности: «Является ли человечество единственной технологически развитой цивилизацией во Вселенной?». Попыткой ответа на этот вопрос служит уравнение Дрейка, которое оценивает количество возможных для контакта внеземных цивилизаций. Оно может давать при некоторых значениях неизвестных параметров довольно высокую оценку шансам на такую встречу. На подобные выводы Ферми ответил, что если в нашей галактике должно существовать множество развитых цивилизаций, то надо ответить на вопрос: «Где они? Почему мы не наблюдаем никаких следов разумной внеземной жизни, таких, например, как зонды, космические корабли или радиопередачи?»

[1]. Допущения, которые легли в основу парадокса Ферми, часто называют «принципом Ферми»^{[источник не указан 662 дня]}.

Парадокс можно сформулировать так. С одной стороны, выдвигаются многочисленные аргументы за то, что во Вселенной должно существовать значительное количество технологически развитых цивилизаций. С другой стороны, отсутствуют какие-либо наблюдения, которые бы это подтверждали. Ситуация является парадоксальной и приводит к выводу, что или наше понимание природы, или наши наблюдения неполны и ошибочны.

Как сказал Энрико Ферми — «ну, и где они в таком случае?».

Различными авторами предложено большое число теоретических разрешений или объяснений парадокса Ферми. Спектр этих гипотез весьма широк: от утверждения единственности Земли как обитаемой планеты или невозможности отличить искусственные сигналы от естественных до «гипотезы зоопарка».

Обсуждение вопроса Циолковским[править | править код]

За два года до смерти К. Э. Циолковский в философской заметке, длительное время не публиковавшейся, сформулировал этот парадокс и предложил в качестве его разрешения гипотезу зоопарка^[2].

В известной вселенной можно насчитать миллион миллиардов солнц. Стало быть, мы имеем столько же планет, сходных с Землёй. Невероятно отрицать на них жизнь. Если она зародилась на Земле, то почему же не появится при тех же условиях на сходных с Землёй планетах? Их может быть меньше числа солнц, но всё же они должны быть. Можно отрицать жизнь на 50, 70, 90 процентах всех этих планет, но на всех — это совершенно невозможно. <…>

На чём основано отрицание разумных планетных существ вселенной? <…> Нам говорят: если бы они были, то посетили бы Землю. Мой ответ: может быть, и посетят, но не настало ещё для того время. <…> Должно прийти время, когда средняя степень развития человечества окажется достаточной для посещения нас небесными жителями. <…> Не пойдём же мы в гости к волкам, ядовитым змеям или гориллам. Мы их только убиваем. Совершенные же животные небес не хотят то же делать с нами.

— К. Э. Циолковский. «Планеты заселены живыми существами»

Дискуссия летом 1950 года[править | править код]

Незадолго до начала Второй мировой войны Энрико Ферми эмигрировал в США. 2 января 1939 года вместе со своей семьёй он поселился в Нью-Йорке. Сначала он преподавал в Колумбийском университете вместе со своим коллегой Лео Силардом. После они вместе отправились в Чикагский университет для работы над проектом «Чикагская поленница» — первым ядерным реактором. 2 декабря 1942 года они смогли провести первую управляемую цепную ядерную реакцию. После этого Ферми начал участие в Манхэттенском проекте и стал работать в Лос-Аламосской национальной лаборатории, где пробыл до окончания войны. После этого, в 1945 году, в награду за свою работу над атомной бомбой он получил американское гражданство

[3]^[4].

Знаменитый вопрос «Являемся ли мы единственной разумной и технологически продвинутой цивилизацией во Вселенной?» Ферми задал летом 1950 года в кафетерии Лос-Аламосской лаборатории в ходе неформальной беседы с тремя своими коллегами. Точное содержание беседы по-разному описывается в воспоминаниях её свидетелей. Беседа между Ферми и тремя его коллегами — Эдвардом Теллером, Эмилем Конопински^[en] и Гербертом Йорком — совершенно не предназначалась для записи. Согласно Карлу Сагану, сам факт этого разговора был выдуман

[5], однако расследование Эрика М. Джонса, опубликованное в 1985 году^[6], свидетельствует о том, что подобная беседа действительно имела место. Свидетельства троих участвовавших в ней учёных, а также тех, кто был рядом, представляют собой единственный источник информации об этой беседе. Сам Ферми, по-видимому, впоследствии не высказывался по этому вопросу. Джонс восстановил обстоятельства той встречи, связавшись по почте с коллегами Ферми, а также со всеми, кто мог присутствовать в тот момент в «Ложе Фуллера» (англ. Fuller Lodge) — столовой персонала лаборатории, где происходила беседа. Наиболее надёжным свидетельством считаются показания Ханса Марка, хотя тот и не принимал непосредственного участия в разговоре

[6]. Герберт Йорк отметил, что беседа состоялась летом 1950 года, во всяком случае, после публикации карикатуры Алана Данна^[en], датированной 20 мая 1950 года^[7][8].

Эмиль Конопински в переписке с Джонсом смог очень ясно вспомнить разговор, который в общем был посвящён инопланетянам. Итальянский физик в то время говорил о карикатуре, опубликованной в журнале The New Yorker 20 мая 1950 года. Её автор Алан Данн, чтобы объяснить произошедшие незадолго до этого в Нью-Йорке таинственные исчезновения уличных урн, изобразил инопланетян, выгружающих на своей планете из летающей тарелки земные мусорные урны. Это стало толчком к увлечённой беседе между сидящими за столом мужчинами о возможности существования внеземной жизни и доказательствах такой возможности

[9]. Конопински добавил, что с этого рисунка разговор перешёл на более серьёзную тему^[6][10]: факт того, что мы не наблюдаем никаких следов, ни визуальных, ни радио. Ферми спросил: «Если инопланетяне существуют, где же они?». Конопински вспоминал, что вопрос Ферми прозвучал, скорее, так: «Вы не задумывались над тем, где все?»^[11]. Согласно Ферми, могли бы быть три вида доказательств: наличие зондов, кораблей или радиопередач. Однако ничто из этого человечество не обнаружило. Согласно Мишелю Мишо, в тот момент Ферми предложил раннюю неформальную версию знаменитого уравнения, сформулированного более ясно Фрэнком Дональдом Дрейком несколько лет спустя ^[12].

Одна из современных гипотез, названная гипотезой уникальной Земли, утверждает, что многоклеточная жизнь может быть чрезвычайно редкой из-за возможной исключительности и редкости планет земного типа. В ней утверждается, что целый ряд невероятных совпадений сделали возможным возникновение сложных форм жизни на Земле. Несколько примеров таких совпадений приведены ниже.

В спиральных витках Галактики часто вспыхивают сверхновые звёзды, радиация которых, как считается

[кем?], делает высшие формы жизни невозможными. Наша Солнечная система находится на особенной галактической орбите внутри Млечного Пути: она является почти правильной окружностью такого радиуса, который позволяет ей двигаться с той же скоростью, что и гравитационные ударные волны^{[уточнить]}, формирующие спиральные рукава Галактики. Земля пребывала между спиральными рукавами Галактики на протяжении многих сотен миллионов лет, или три полных галактических года, то есть практически всё время, пока на Земле существуют высшие формы жизни.

Другой необходимый элемент — Луна. Популярная гипотеза гигантского столкновения утверждает, что она сформировалась вследствие редкого столкновения молодой Земли с планетой размером с Марс примерно 4,45 миллиарда лет назад. Столкновение с образованием Луны должно было произойти лишь под определённым углом: прямой угол уничтожил бы Землю, более пологий угол привёл бы к тому, что столкнувшаяся планета просто отрикошетила бы от Земли. Приливы, вызванные Луной, стабилизировали земную ось: без влияния Луны прецессия земной оси была бы намного больше и привела бы к коренным неблагоприятным изменениям климата, которые могли бы регулярно уничтожать развивающуюся жизнь и откатывать её назад к простым формам. Лунные приливы, вероятно, разогрели земное ядро

[источник не указан 1911 дней], которое должно быть расплавленным, чтобы порождать магнитное поле, существенно ослабляющее влияние солнечного ветра (гипотеза магнитного динамо).

Сторонники противоположной точки зрения настаивают, что требование наличия земных условий для существования жизни свидетельствует о так называемом углеродном шовинизме — чрезмерно узком видении природы, исключающем из рассмотрения формы жизни, биохимия которых принципиально отличается от биохимии земных организмов.

Гипотеза, утверждающая, что развитые цивилизации находят способ уйти в другие вселенные (например, через кротовые норы), и при этом теряют желание возвращаться обратно. Сформулирована Кардашёвым^[13] (который придумал 3 уровня цивилизации, см. также Сфера Дайсона).

Гипотеза, которая заключается в том, что цивилизация достаточно быстро (в течение нескольких веков после открытия радиоволн) открывает простой способ получения опасных предметов (вроде неких бомб, способных уничтожить всю зону обитания), чем успевают воспользоваться некоторые её представители, или получение (в лабораториях) опасных бактерий, которые легко распространяются по всей планете, и являются причиной смертельной болезни, которая проявляет себя настолько поздно, что после обнаружения у цивилизации не остаётся времени на поиск лекарства. Отсюда и Великое молчание. По этой причине некоторые люди даже считают, что нужно вообще отказаться от технологического развития (перейти к нулевому или отрицательному экономическому росту), дабы протянуть как можно больше. Причина, по которой такую «бомбу» не удастся скрыть от публики, такая же, как и невозможность достаточно долго скрывать любое другое важное знание от человечества (см. Теория заговора).

Ещё одним сценарием самоуничтожения может быть получение такой чёрной дыры в устройстве, аналогичном Большому адронному коллайдеру, которая затянет в себя всё окружающее пространство, планету и звёздную систему. При этом обнаружить такую чёрную дыру крайне сложно, так как её радиус горизонта событий очень мал, а гравитационное поле на дальних расстояниях аналогично полю звезды. Более того, чёрная дыра, образованная затягиванием планеты, может просто остаться вращаться на своей орбите.

Однако все эти гипотезы предполагают получение чего-то куда более сложного, чем открытие радиоволн, поэтому от таких цивилизаций можно ожидать как минимум несколько десятков лет «радиоволнового следа».

Сторонники предложенных Карлом Саганом более оптимистических оценок параметров уравнения Дрейка утверждают, что разумная жизнь является распространённым явлением во Вселенной. Некоторые из них считают, что приняв обоснованные, по их мнению, параметры уравнения Дрейка, мы приходим к выводу, что наличие большого количества внеземных цивилизаций не только возможно, но «практически гарантировано». Тем не менее сторонники принципа Ферми считают, что в связи с отсутствием доказательств в пользу обратного, человечество — единственная технологически развитая цивилизация как минимум в нашей части Млечного Пути.

Другим объяснением отсутствия сигналов служит предположение, что цивилизация становится технологически развитой одновременно с возможностью неизбежного самоуничтожения — например, из-за ядерной войны или экологической катастрофы. Таким образом, у цивилизации или очень мало времени, чтобы её заметили, или его нет вовсе.

Наша Солнечная система, если наблюдать её с расстояния в несколько десятков световых лет, была бы очень необычной в связи с огромным уровнем радиоизлучения (созданного радиостанциями) у ничем не приметной звезды. Можно допустить, что подобное излучение у соседней звезды было бы также сразу определено как необычное земными астрономами. С другой стороны, чем дальше удалена звезда, тем более устаревшие данные о ней мы имеем. Так, например, на расстоянии в 150 световых лет радиопередачи Земли будут принципиально необнаружимы до 2045 года, так как беспроводная связь известна на Земле с 1895 года, и как следствие, первые радиопередачи ещё не прошли такое расстояние.

Данные радио- и визуальных наблюдений накапливались на протяжении нескольких десятилетий в рамках проектов «Озма», SETI и других инициатив, имевших целью поиск обитаемых планет за пределами Солнечной системы. До сих пор не обнаружено ни одной звезды солнечного типа, которая бы демонстрировала необычно интенсивное радиоизлучение — из чего, похоже, можно сделать вывод, что мы являемся единственным видом, использующим радиоволны в нашей части Галактики^[14]. К тому же большинство планет, выявленных за пределами Солнечной системы, вероятно, характеризуются слишком суровыми условиями для эволюции развитых форм жизни.

Сторонники теории о наличии внеземной жизни приводят следующие объяснения этим фактам:

• Другие разумные виды могут использовать направленные приборы связи — например, лазеры. Возможно, они используют для связи нейтрино или другие, пока неизвестные нам частицы.
• Найти планеты с нестабильными орбитами легче. Из-за этого у наблюдателя создаётся впечатление о том, что большинство планет обладают именно нестабильными орбитами, при которых жизнь невозможна. Вследствие этого недооценивается количество пригодных для жизни планет.
• Другие разумные виды слишком далеко ушли от нас в развитии. Предполагается, что многие ранее появившиеся цивилизации могли уже стать настолько могущественными, что мы неспособны отличить их деятельность от природных явлений, вопреки гипотезе «космических чудес», которые в 1960-х предлагал искать Иосиф Шкловский^[15][16].
• Ещё одним интересным фактом является то, что в связи с развитием оптоволоконных систем связи, отказом от мощных радиостанций и переходом на маломощные сотовые системы связи, кабельное и спутниковое телевидение и радиовещание радиоизлучение Земли в последние годы начало уменьшаться. Таким образом, активный период «свечения» Земли в радиодиапазоне составил немногим более 100 лет, что является крайне малым сроком в сравнении с продолжительностью существования цивилизации и даёт дополнительный аргумент сторонникам существования внеземной разумной жизни.
• Существует гипотеза, согласно которой разумные и развитые цивилизации не могут вступить в космическую эру из-за очень значительной силы притяжения, вследствие которой использование химических двигателей становится практически бесполезным.
• Китайский писатель-фантаст Лю Цысинь предложил для объяснения парадокса Ферми концепцию «тёмного леса». Суть концепции в том, что эволюция жизни во Вселенной подразумевает войну на выживание среди достаточно развитых цивилизаций, поэтому всякая достаточно развитая цивилизация тщательно скрывает следы своего присутствия во Вселенной, чтобы не подвергнуться удару со стороны цивилизаций-конкурентов. Те же молодые цивилизации, которые выдают своё существование, подобны человеку, идущему через тёмный лес: ему кажется, будто он здесь один, но как только он крикнет «Ау!» достаточно громко, какая-нибудь тварь из темноты набросится на него, и такой человек даже не поймёт, кто и каким образом его убил.

Аргументация относительно утверждений принципа Ферми[править | править код]

Отсутствие радиопередач из космоса[править | править код]

Графическое представление послания Аресибо — второй попытки человечества установить связь с внеземными цивилизациями

Сторонники принципа Ферми утверждают, что при наличии достаточного времени на развитие, интенсивность радиопередач любой достаточно развитой цивилизации со временем превысит излучение её звезды в этом диапазоне. Поскольку радиоволны являются простым и дешёвым способом связи, можно ожидать, что каждая технологически развитая цивилизация использует хотя бы часть этого спектра во время своего развития.

Если все цивилизации во Вселенной ведут себя подобно земной цивилизации, где на поиски межзвёздных радиопосланий потрачено в сотни раз больше времени, чем на передачу своих собственных радиопосланий, то объяснение молчания Вселенной тривиально: «все ищут, но никто не излучает» — подобное объяснение составляет суть «парадокса SETI»^[17].

Оппоненты, однако, говорят об отсутствии инструментов для обработки всех сигналов как о возможной причине отсутствия разумных сигналов. Например, главный астроном Института SETI Сет Шостак утверждает, что в галактике может существовать большое количество радиопередатчиков от сотен миллиардов звёзд, но чтобы уловить и обработать все сигналы, понадобятся большие вычислительные мощности, на данный момент недоступные человеку^[18]. Кроме того, по их мнению, внеземные цивилизации могут просто использовать способы связи, отличные от радиоволн, или по каким-либо причинам скрывать сам факт радиопередач. Их оппоненты в то же время указывают, что это может действительно быть так, но только в случае, если существует или существовало очень малое количество цивилизаций, и если бы их было столько, сколько прогнозировали Саган и Дрейк, то даже при условии, что только часть из них использовала радио во время своего развития, этого было бы достаточно, чтобы заметно повлиять на радиоспектр части звёзд.

Заявление об отсутствии инструментов для обработки всех сигналов как о возможной причине отсутствия разумных сигналов также применимо для восприятия человека, как биологического существа. Поскольку в основе аппарата восприятия лежит интерпретация сигналов от рецепторов посредством нейронной сети, известна её особенность: неспособность распознавать образ без обучения. Иными словами, для распознавания человеком следов инопланетных цивилизаций нужно, чтобы на них указали и объявили их следами инопланетных цивилизаций. Подобные указания, однако, противоречат фундаментальному критерию фальсифицируемости и отвергается академической наукой — в особенности, если найденный образ уже имеет устойчивое сопоставление с традиционной культурой. Поэтому определённый интерес представляют находки, технологические свойства которых не соответствуют официальной истории.

Себастьян фон Хорнер на заре SETI, в начале 1960-х годов указал на наивность умозаключений об отсутствии внеземных цивилизаций в наблюдаемой Вселенной. По его мнению, располагая столь несовершенными и не приспособленными специально для поиска искусственных радиосигналов инструментами, лженаучно заявлять о том, что «молчание Вселенной» — экспериментально установленный факт. Простой пример: антенна Евпаторийского радара, используемая для передачи МРП (межзвёздных радиопосланий), имеет очень узкую диаграмму направленности, занимающую на небе его одну десятимиллионную часть. Поиск МРП ведётся с помощью таких же антенн. Отсюда вероятность того, что в момент излучения внеземной цивилизацией МРП в сторону Земли мы смотрим точно в нужную сторону, оказывается совершенно ничтожной, поскольку эта вероятность представляет собой произведение указанных частей. Кроме того, требуется «угадать» время передачи МРП и настроить приёмник на нужную длину волны. Фон Хорнер заметил, что лишь бесконечно далёкие от реальности люди могут всерьёз заявлять, будто отсутствие сигналов равносильно отсутствию внеземных цивилизаций.

Антропный принцип[править | править код]

Подобно гипотезе уникальной Земли, антропный принцип утверждает, что Вселенная «тонко настроена» на известную нам форму жизни. Он утверждает, что поскольку жизнь на Земле была бы невозможна, если бы какой-нибудь из многих параметров физической Вселенной был даже в незначительной мере изменён, то похоже, что люди имеют преимущество над любой другой формой разумной жизни; это делает допущение о том, что люди — единственный разумный вид в Космосе, вероятным. Ещё более убедительным является ряд работ Стивена Хокинга, опубликованных в 2004 году, в которых утверждается, что вероятность того, что вследствие Большого взрыва возникнет вселенная того же типа, что мы наблюдаем сегодня, составляет 98 %.

Критики возражают, объявляя это утверждение тавтологией: в изменённой Вселенной жизнь в известной нам форме, возможно, не существовала бы, но могла бы существовать в другой форме.

Вклад Фримена Дайсона[править | править код]

Доктор Фримен Дайсон популяризировал концепцию Сферы Дайсона — оболочки вокруг звезды, которая может быть создана развитой цивилизацией, стремящейся максимально полно использовать энергию её излучения. Подробное строение оболочки не описывалось, были предложены разные варианты её конструкции. Такая сфера поглотила бы большую часть видимого диапазона звезды и излучала бы чётко определяемый спектр чёрного тела с вероятным максимумом в инфракрасном диапазоне и отсутствующими сильными спектральными линиями, свойственными раскалённой плазме. Он предложил астрономам искать необычно окрашенные звёзды, наличие которых, как он предположил, может быть объяснено только существованием высокоразвитой цивилизации. не удалось выявить ни одной звезды с указанными характеристиками.

Некоторые сторонники принципа Ферми также утверждают, что высокоразвитая цивилизация должна стремиться максимально полно использовать энергию собственной звезды, изменяя её электромагнитную сигнатуру.

Дайсон также предложил тип прибора, который, как он считал, с большой вероятностью должен появиться на протяжении жизни каждой высокоразвитой цивилизации, и отсутствие которого, похоже, подтверждает принцип Ферми. Он сказал, что по его мнению, в ближайшее время будет возможно построить космический аппарат для поиска внеземной жизни, источником питания для которого стала бы окружающая среда, и который был бы способен по прибытии в другую систему создать значительное количество своих копий для расширения области поиска. Количество таких поисковых аппаратов вырастало бы в геометрической прогрессии, поскольку каждый из новосозданных аппаратов по прибытии на место назначения создавал бы снова свои копии, что позволило бы охватить поиском значительную часть галактики вопреки верхнему пределу, физически ограничивающему скорость полёта. Даже за ограниченое время до миллиарда лет копии такого аппарата были бы уже на всех планетах Галактики, чего не наблюдается.

Инопланетная колонизация[править | править код]

Сторонники принципа Ферми также отмечают, что исходя из того, что нам известно о способности жизни на нашей планете распространяться даже в области с экстремальными условиями и ограниченностью ресурсов, следует надеяться, что развитая внеземная цивилизация почти наверняка ищет новые ресурсы и начнёт колонизацию космоса. Несколько авторов дали свои оценки того, сколько времени заняло бы у такой цивилизации колонизировать всю Галактику: по их предположениям, это заняло бы между 5 и 50 миллионами лет^[19] — относительно малый промежуток времени в космологических масштабах.

Однако здесь перед нами снова встаёт вопрос: «Ну и где они в таком случае?»

Подсчитано, что поперечник нашей Галактики составляет около 100 тысяч световых лет. И если в Галактике существует хотя бы одна цивилизация, способная передвигаться между звёздами со скоростью в 1000 раз меньше скорости света, за 100 миллионов лет она распространилась бы по всей Галактике. Так почему же мы не видим её представителей на Земле?

Считается (подробности описаны в статье «Массовое вымирание»), что за последние 500 млн лет существования жизни на нашей планете, она, как минимум, пять раз была почти полностью уничтожена в результате космических катастроф.

1. ↑ Аль-Халили, 2018, с. 9.
2. ↑ SETI? Не, не слышали (неопр.). lenta.ru. Дата обращения 15 марта 2019.
3. ↑ Webb, 2002, pp. 8—9.
4. ↑ Finney, 1986, p. 298.
5. ↑ Sagan, 2000, p. 271.
6. ↑ ^{1 2 3} Jones, 1985, p. 1.
7. ↑ Jones, 1985, p. 3.
8. ↑ Webb, 2002, p. 18.
9. ↑ Webb, 2002, p. 17.
10. ↑ Finney, 1986, p. 299.
11. ↑ Jones, 1985, p. 10.
12. ↑ Michaud, 2010, p. 165.
13. ↑ Владимир Липунов «Великое молчание Вселенной» Момент 01:30:20 (рус.). Дата обращения 18 августа 2019.
14. ↑ Исключением является единственное наблюдение «Wow!»-сигнала, происхождение которого, однако, достоверно не установлено.
15. ↑ Lem S. Czy jestesmy sami w kosmosie? // Nurt. — Poznan, 1977. — № 5.
16. ↑ Лем С. Одиноки ли мы в космосе? // Знание — сила. — 1977. — № 7 (601). — С. 40—41.
17. ↑ Zaitsev, Alexander. The SETI Paradox
18. ↑ Астроном убеждён, что инопланетяне будут найдены в течение 20 лет // MEMBRANA.ру
19. ↑ Where Are They?: Scientific American (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 16 апреля 2007. Архивировано 10 октября 2007 года.

На русском языке

Парадокс Ферми • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

Поиск внеземного разума — или, как сегодня принято сокращенно называть это занятие по его английской аббревиатуре, SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence), — впервые был поставлен на повестку дня современной науки на конференции в радио-обсерватории в Грин-Бэнке (Green Bank), штат Западная Виргиния, США, в 1961 году. Было отмечено, что, получив в свое распоряжение мощные радиотелескопы, ученые могут теперь заняться отслеживанием сигналов, направляемых в нашу сторону внеземными цивилизациями из-за пределов Солнечной системы (при условии, что такие цивилизации существуют и стремятся к установлению контакта). В те оптимистичные ранние дни энтузиасты SETI предполагали, что во Вселенной существуют тысячи и тысячи цивилизаций, объединенных в «галактические клубы», и что мы находимся на пороге вступления в такое межзвездное сообщество нашей Галактики (см. Формула Дрейка).

Возможно, они проявили бы большую сдержанность, если бы прислушались к мнению, высказанному за одиннадцать лет до этого американским физиком итальянского происхождения, нобелевским лауреатом Энрико Ферми. Как-то раз за обедом в Лос-Аламосе (Los Alamos), выслушав доводы своих коллег в пользу существования в Галактике великого множества высокоразвитых технологических цивилизаций, он после некоторой паузы просто спросил: «Ну, и где они в таком случае?»

С тех пор этот аргумент, будучи сформулирован теми или иными словами, является главными вилами в бок сообщества SETI. Приведу пример одной из его развернутых формулировок: «Законы природы едины повсюду во Вселенной, поэтому любая высокоразвитая цивилизация располагает теми же научно-техническими и технологическими возможностями, что и человечество. Уже сейчас у нас имеются вполне реальные проекты межзвездных космолетов, способных развивать скорость порядка 10% скорости света, и такие корабли в обозримом будущем вполне могут доставить людей к ближайшим звёздам. Любая цивилизация, располагающая такими кораблями, могла бы расселиться по всей Галактике и колонизировать пригодные для жизни планеты всего за несколько миллионов лет — срок огромный с точки зрения человеческой истории, но по космической шкале это просто миг. Если бы в Галактике сегодня действительно существовали тысячи цивилизаций, первые из них добрались бы сюда миллионы лет тому назад. Майкл Харт (Michael H. Hart, р. 1932) в 1975 году выдвинул аргумент, что само по себе отсутствие инопланетян на Земле прямо сейчас является убедительным доказательством отсутствия высокоразвитых внеземных цивилизаций как таковых (поэтому этот парадокс иногда называют еще парадоксом Ферми—Харта). Так действительно, где же они?

И от этого вопроса не отделаешься утверждениями наподобие того, что инопланетяне не склонны к путешествиям (гипотеза картофельных грядок) или исподволь наблюдают за нами со стороны (гипотеза зоопарка, где человечество является редким и оберегаемым экспонатом). Обе эти гипотезы — и многие другие — страдают одним неисправимым недостатком: они исходят из неоправданной предпосылки, что всем внеземных цивилизациям присуще какое-либо общее качество: то ли все внеземные цивилизации склонны к патологическому домоседству, то ли у всех внеземных цивилизаций действует (и, к тому же, неукоснительно соблюдается!) один и тот же этический принцип невмешательства в инопланетные дела. Но ведь, если цивилизаций в обозримом космосе тысячи, такое их единообразие практически невозможно по теории вероятностей! В конце концов, человечество устраивает на Земле заповедники для охраны редкой дичи, однако это далеко не всегда мешает браконьерскому промыслу.

Могу привести пример, почему гипотеза зоопарка, с моей точки зрения, несостоятельна. Когда я состоял во втором браке, тестем мне доводился егерь из заповедника в округе Карбон, штат Монтана, — безлюднейший и живописнейший уголок Северной Америки представляет собой эта местность. На десятки миль вокруг там нет ни одного населенного пункта, практически отсутствуют подъездные пути, однако практически ежедневно моему тестю приходилось иметь дело с браконьерами, охотившимися на дичь и ловившими рыбу в местных горных озерах. Так велики ли шансы, что все без исключения внеземные цивилизации не только запрещают своим представителям вступать в контакт с человечеством, но и способны обеспечить соблюдение этого запрета? По-моему, шансов мало.

Начиная с 1961 года, поиски радиосигналов от внеземных цивилизаций не раз прекращались, потом снова возобновлялись. Результаты же были неизменно отрицательными — свидетельств существования внеземного разума как не было, так и нет. Историю таких наблюдений можно использовать для очерчивания в дальнем космосе границ, за которыми существование технологически развитых цивилизаций всё ещё вероятно. Сегодня мы доподлинно знаем, например, что в радиусе 1000 световых лет от Земли в космосе нет ни одной цивилизации, которая генерировала бы сигналы каким-либо из известных нам способов.

Ученые, занимающиеся SETI, классифицируют цивилизации по их способности генерировать энергию. Цивилизации типа I генерируют энергию в объемах, примерно равных объемам энергии, получаемой их планетой от своей звезды, а цивилизации типа II — порядка энергии, излучаемой их звездой. (По этой классификации человечество относится к «типу 0,7» — на Земле вырабатывается 70% от количества энергии, необходимого, чтобы называться цивилизацией типа I.) Сегодня можно с уверенностью сказать, что цивилизаций типа I нет в радиусе десяти тысяч световых лет от Земли, а цивилизаций типа II — не только в пределах нашей Галактики, но и в сопредельных с нашей галактиках, составляющих с нею единое галактическое скопление. Предположительно эти пределы будут расширяться и далее.

Как вы, наверное, уже догадались, к перспективе обнаружения внеземных цивилизаций я отношусь весьма скептически. Тем не менее, я твердо уверен в необходимости продолжения их поиска. Это, пожалуй, единственное научное исследование, результаты которого окажутся фантастическими при любом его исходе.

Парадокс Ферми и уравнение Дрейка, что это такое?

Парадокс Ферми стремится дать ответ на вопрос, если Вселенная полна жизни, почему мы еще не нашли свидетельства инопланетных цивилизаций.

Как гласит история, итальянский физик Энрико Ферми, наиболее известный созданием первого ядерного реактора, выдвинул эту теорию случайным замечанием во время обеденного перерыва в 1950 году.

Парадокс Ферми

«Ферми понял, что любая цивилизация со скромными ракетными технологиями, но нескромным имперским стимулом, может быстро колонизировать всю галактику», — говорится на сайте (SETI).

За десять миллионов лет каждая солнечная система могла бы быть колонизирована этой империей. Десять миллионов лет могут казаться долгим сроком, но на самом деле это довольно мало по сравнению с возрастом нашей галактики, который составляет примерно 13 — 15 млрд лет.

Ферми был первым, кто высказался на эту тему, но в будущем его мысли подхватили другие. Майкл Харт написал статью под названием «Объяснение отсутствия инопланетян на Земле» в журнале «Королевского астрономического общества» (RAS) в 1975 г. Многие говорят, что это была первая статья, в которой исследуется парадокс Ферми, однако это утверждение сложно доказать.

Есть мнение, что любая цивилизация, достигшая высокого уровня технологического развития, имеет большой риск неизбежного самоуничтожения, например, в результате ядерной войны

«На сегодняшний день на Земле нет разумных существ из космоса». «Допускается, что этот факт лучше всего можно объяснить гипотезой о том, что в нашей галактике нет других развитых цивилизаций», — пишет Харт в своей статье.

Однако он отметил необходимость дополнительных исследований в области биохимии, формировании планет и атмосферы, чтобы лучше ответить на этот вопрос.

Хотя Харт больше придерживался мнения, что мы единственная развитая цивилизация в галактике. Он также утверждал, что в истории Земли кто-то бы смог уже посетить нас, если бы начал свое путешествие около двух миллионов лет назад.

Харт изложил четыре аргумента относительно парадокса Ферми:

• Инопланетяне никогда не прилетали из-за физических затруднений, «которые делают космические путешествия невозможными». Они могут быть связаны с астрономией, биологией или техникой.
• Земля не вызвала никакого интереса у инопланетян, они решили ее не посещать.
• Развитые инопланетные цивилизации возникли совсем недавно, чтобы иметь возможность нас достичь.
• Инопланетяне посещали Землю в прошлом, но мы их не наблюдали.

«Возможно, дальние межзвездные путешествия неосуществимы, или никто не решился колонизировать галактику, или, может быть, нас посещали давно, а свидетельства похоронены вместе с динозаврами», — пишет исследователь парадокса Ферми, Роберт Х. Грей в блоге Scientific American.

Сегодня тема внеземного разума является весьма популярной, и каждый год выходит по несколько статей от разных исследователей. Не малую роль в этом играет развитие технологий и открытие множества новых экзопланет. Например, совсем недавно в Китае начал свою работу самый большой радиотелескоп в мире под название FAST, который только за время тестирования обнаружил более 100 пульсаров.

Планеты вне Солнечной системы

Вселенная невероятно обширна и стара. Согласно одной из оценок, Вселенная простирается на 92 миллиарда световых лет, при этом она растет все быстрее и быстрее.

Ферми впервые сформировал свою теорию задолго до того, как ученые стали обнаруживать планеты вне Солнечной системы. С тех пор мы имеем подтвержденными уже более 4000 экзопланет, из которых многие являются «землеподобными». Это дает нам понимание того, что их реальное количество только в нашей галактике исчислят сотнями миллиардов, и жизнь во Вселенной способна существовать в изобилии.

Со временем, с помощью более совершенных телескопов, ученые смогут исследовать химический состав их атмосфер. Конечная цель состоит в том, чтобы понять, как часто скалистые планеты образуются в зонах, пригодных для обитания (области в космосе, в которых планеты имеют условия, как у Земли, где вода может существовать на поверхности в жидкой фазе).

Исследование, проведенное в ноябре 2013 года с использованием данных космического телескопа «Кеплер», показало, что у каждой пятой звезды, подобной Солнцу, есть планета размером с Землю, вращающаяся в зоне обитаемости. Однако эта зона не обязательно является показателем жизни, потому что необходимо учитывать и другие факторы, например, насколько активна звезда и каков состав атмосферы планеты.

Уравнение Дрейка

Уравнение Дрейка имеет целью математически определить количество внеземных цивилизаций в Млечном Пути, с которыми у человечества есть шанс вступить в контакт.

Уравнение Дрейка выглядит так:

N = R * fp * ne * fl * fi * fc * L

Переменные имеют следующие значения:

• N = количество цивилизаций в галактике Млечный Путь, готовых вступить в контакт.
• R = Скорость ежегодного образования звезд, пригодных для развития разумной жизни.
• fp = доля солнцеподобных звёзд, имеющих планеты.
• ne = число планет и спутников с окружающей средой экологически пригодной для возникновения жизни, деленное на количество солнечных систем.
• fl = вероятность зарождения жизни на планете с подходящими условиями.
• fi = вероятность зарождения разумных форм жизни на планете, имеющей живые организмы.
• fc = отношение количества планет, разумные обитатели которых способны к контакту и ищут его, к количеству планет, имеющих разумную жизнь.
• L = продолжительность времени, в течение которого разумные формы жизни ищут контакт с другими цивилизациями.

Ни одно из этих значений сейчас точно неизвестно, что не позволяет сделать какое-либо вычисление.

В то время как Фрэнк Дрейк из SETI и другие предположили, что в галактике может быть около 10 000 цивилизаций, которые ищут контакта, исследование, опубликованное в 2011 году в журнале «PNAS», показало, что Земля, вероятно, является «редкой птицей» среди планет.

В свою очередь, исследователи из Принстонского университета Дэвид Шпигель и Эдвин Тернер, полагают, что для развития разумной жизни требуется очень много времени и удачи. Например, Земле на это потребовалось не менее 3,5 миллиардов лет.

2. Функция распределения Ферми-Дирака. Уровень Ферми. Влияние температуры на распределение Ферми-Дирака

 

Функция распределения Ферми-Дирака, описывающая распределение фермионов по состояниям, имеет следующий вид:

(4)

здесь E_F— химический потенциал системы фермионов, т.е. работа, которую необходимо затратить, чтобы изменить число частиц в системе на одну. В случае электронов величинаE_Fназываетсяэнергией Ферми или уровнем Ферми.

Рассмотрим вид функции Ферми-Дирака при температуре, стремящейся к абсолютному нулю. Как нетрудно видеть из формулы (4), для любой энергии частицы, большей энергии Ферми, экспонента в знаменателе стремится к бесконечности при , следовательно,f(Е)стремится к нулю. Это значит, что все энергетические состояния сЕ > E_Fсовершенно свободны при абсолютном нуле. ЕслиЕ < E_Fпри,f(E)стремится к единице. Это значит, что все квантовые состояния с энергией, меньше энергии Ферми, полностью заняты электронами. Отсюда понятен физический смысл энергии Ферми как параметра распределения электронов по состояниям:энергия Ферми есть максимально возможная энергия электронов в металле при температуре абсолютного нуля. Энергетический уровень, соответствующий энергии Ферми, называетсяуровнем Ферми.

Вид функции распределения Ферми-Дирака при Т = 0Кпредставлен на рис. 2а. На рис. 2б показано распределение электронов по энергетическим уровням в зоне проводимости металла при этой же температуре.

Рис. 2. Функция распределения Ферми-Дирака (а) и распределение электронов в зоне проводимости металла при Т=0К (б)

Если Т  0К, то при энергии частицы, равной энергии Ферми, функция распределения Ферми-Дирака равна1/2. Это значит, что при любой температуре, отличающейся от абсолютного нуля, уровень Ферми заполнен наполовину. Вид функции Ферми-Дирака для двух различных температур показан схематически на рис. 3. Изменение характера распределения электронов по состояниям связано с тепловым возбуждением электронов. При этом часть электронов переходит в состояния с энергиями, большей энергии Ферми.

Соответственно часть состояний ниже уровня Ферми оказывается свободной. В результате функция f(E)«размыта» вблизи энергии Ферми. Тепловому возбуждению подвергается незначительная часть электронов, находящихся вблизи уровня Ферми. Функция Ферми-Дирака заметно отличается от вида, который она имела при абсолютном нуле, лишь при. Величина «размытия» пропорциональна температуре (рис. 3). Чем выше температура, тем более существенному изменению подвергается функция распределения.

Рис. 3. Функция распределения Ферми-Дирака при Т>0K

При условии

(5)

экспонента в знаменателе становится значительно больше единицы в формуле (4). В этом случае единицей можно пренебречь и распределение Ферми-Дирака преобразуется к виду

(6)

Выражение (6) совпадает по форме с функцией распределения Максвелла-Больцмана.

Вероятность того, что некоторый энергетический уровень с энергией Есвободен, т.е. занят дыркой, равна

(7)

Таким образом, функция распределения Ферми-Дирака для дырок аналогична функции распределения для электронов, если в ней изменить знаки показателей экспонент. Это хорошо согласуется с представлением о том, что дырки являются носителями положительного заряда.

Газ носителей заряда, подчиняющийся статистике Ферми-Дирака, называется вырожденным. Если носители заряда подчиняются статистике Максвелла-Больцмана, то они называютсяневырожденными.

\3. Функция плотности состояний электронов и дырок

Для определения числа частиц, имеющих энергию в заданном интервале, необходимо, кроме функции распределения , знать функцию плотности состояний. Эта функция описывает распределение уровней в соответствующих зонах и определяет число уровней, приходящихся на единичный интервал энергии. По определению

(8)

Здесь, как и раньше, dZ— число возможных состояний ансамбля частиц (число уровней) с энергией, заключенной в интервале отEдоE+dE. Функциюg(E)вычислим для кубического кристалла со сторонойL. Энергия электрона у дна зоны проводимости(Е(к) дать рисунок) приближенно может быть представлена в виде

(9)

здесь энергия дна зоны проводимости,— эффективная масса электрона у дна зоны проводимости,k— квазиимпульс электрона,— его компоненты. Согласно граничным условиям, компоненты квазиимпульса могут принимать только следующие дискретные значения энергии:

 

Каждому набору чисел n_x,n_y,n_zотвечает некоторое квантовое состояние (квантовый уровень). В пространстве волновых векторов каждому квантовому состоянию соответствует объем, гдеV— объем кристалла. Эти элементарные кубические ячейки займут в пространстве волновых чисел объем шара радиусомk, соответствующего максимально возможному значению модуля волнового вектора. Выделим шаровой слой, заключенный между двумя поверхностямиk=constиk+dk =const. Объем этого слоя составляет. Разделив этот объем на объем элементарной ячейки и умножив на 2, поскольку в каждом состоянии могут находиться по два электрона с противоположно направленными спинами, получим число состояний в объеме шарового слоя:

(10)

Согласно (9)

 

Подставляя значения k² иdkв формулу (10), получим

.

Учитывая (8), получим окончательное выражение для плотности квантовых состояний электронов у дна зоны проводимости:

(11)

Энергию дырок у потолка валентной зоны можно записать также в виде параболического закона:

(12)

где E_v— энергия потолка валентной зоны,— эффективная масса дырки. Вычисления, аналогичные тем, которые были проведены выше для электронов, приводят к следующему выражению для функции плотности состояний дырок вблизи потолка валентной зоны:

(13)

Следует подчеркнуть, что формулы (11) и (13) справедливы только для состояний вблизи экстремумов энергии, т.е. у дна или потолка энергетической зоны. В средней же части зоны точный вид функции g(E) неизвестен. На рис. 4 схематически представлены зависимости плотности квантовых уровней вблизи дна зоны проводимости и потолка валентной зоны.

Рис. 4. Плотность уровней в зоне проводимости и в валентной зоне

Площадь заштрихованных областей пропорциональна числу уровней dZв интервале энергийdE

Парадокс Ферми / Habr

В чудную звёздную ночь каждый ощущает нечто особенное, когда обращает свой взор в небо и видит подобную картину:

Как правило, многие люди поражены эпической красотой или даже обескуражены грандиозными масштабами Вселенной. Лично мною овладевает «экзистенциальная опустошённость» — удручающее состояние, не покидающее меня, по крайней мере, последующие полчаса. Каждый чувствует нечто.

Вот это самое нечто ощутил и физик Энрико Ферми, задавшийся резонным вопросом: «А где все?«.
________________

Что и говорить, картина ночного звездного неба — зрелище впечатляющее. Но мы ведь наблюдаем только ближайшие окрестности. В самую ясную ночь мы видим до 2500 звезд (то бишь, одну стомиллионную часть от общего количества звёзд Нашей Галактики). Практически все из них находятся ближе, чем в 1000 световых лет от нас (что составляет всего лишь 1% от диаметра Млечного Пути). И видим мы, на самом деле, всего лишь вот это:

Когда люди размышляют о звёздах и галактиках, они часто задаются вопросом: «Есть ли где-то там разумная жизнь?». Ну что ж, чтобы прикинуть возможный ответ на этот вопрос, приведём несколько цифр.

Подобно количеству звёзд в Нашей Галактике (100-400 миллиардов), примерно в такое же число оценивается количество галактик в видимой Вселенной. Другими словами, каждой звезде в Млечном Пути сопоставлено колоссальное количество звёзд в остальном космосе. Если исходить из общего количества звёзд (обычно речь о числе между 10²² и 10²⁴), то получается, что на каждую песчинку на всех пляжах Земли приходится порядка 10 тысяч звезд.

В научном сообществе придерживаются разных мнений о том, каков процент звезд, похожих на наше Солнце (т.е. сопоставимых по размеру, температуре и светимости) — по разным оценкам обычно составляет от 5% до 20% от общего числа звёзд. Если даже ограничиться самым скромным предположением (5%), а также взять нижнюю оценку по общему количеству звезд (10²²), то это даёт нам 500 квинтиллионов или 500 миллиардов миллиардов солнцеподобных звезд.

Также продолжаются дискуссии, каков процент из солнцеподобных звезд, вокруг которых вращаются землеподобные планеты (имеющие похожие температурные условия, позволяющие воде находиться в жидком состоянии, и, возможно, поддерживающие жизнь, подобную той, что есть на Земле). Некоторые оптимисты считают, что процент таких систем достаточно высок, 50%. Однако давайте примем более осторожную оценку в 22%, полученную в ходе недавнего исследования Национальной Академии наук США. Из этого следует, что потенциально обитаемые землеподобные планеты, вращаются по крайней мере вокруг 1% от общего количества звезд во Вселенной. В общей сложности это 100 миллиардов миллиардов планет земного типа.

Таким образом, на каждую песчинку на Земле приходится 100 землеподобных планет. Поразмышляйте об этом в следующем походе на пляж.

Продвигаясь вперёд, нам не остаётся ничего другого, как немного поспекулировать. Тем не менее, давайте рассуждать дальше. Представим, что через миллиарды лет своего существования, на 1% планет земного типа развилась жизнь (если это правда, каждая земная песчинка будет соотноситься с одной такой обитаемой планетой). И вот, допустим, на 1% из таких планет, жизнь выходит на разумный уровень, как это произошло здесь, на Земле. Это означает существование 10 квадриллионов или 10 миллионов миллиардов разумных цивилизаций в наблюдаемой Вселенной.

Вернёмся в родную галактику и произведём те же арифметические выкладки, исходя из нижней оценки для количества звезд в Млечном Пути (100 миллиардов). Мы насчитаем 1 миллиард землеподобных планет и 100 тысяч разумных цивилизаций в Нашей Галактике. Кстати, уравнение Дрейка как раз предоставляет формальный метод для получения схожих результатов.

Есть такой международный проект — SETI (от Search for Extraterrestrial Intelligence т.е. Поиск внеземного разума). В его рамках осуществляется поиск возможных радиосообщений от внеземной разумной жизни. Если мы посчитали всё верно, и действительно существует 100 тысяч разумных цивилизаций только в Нашей Галактике, и если даже лишь небольшая часть из них пытается связаться с другими посредством радиоволн, лазерных лучей или чего-то ещё — не должны ли SETI в свои астрономические сети поймать все разновидности этих сигналов?

Увы и ах. Сигналов нет. От слова «вообще».

И где же все?

Странно получается. Наше Солнце достаточно молодо по сравнению с возрастом Вселенной. Есть гораздо более старые звезды, вокруг которых обращаются древние землеподобные планеты. Теоретически, уже давным-давно существуют цивилизации, гораздо более продвинутые чем мы. В качестве примера, давайте сравним наш 4540000000-летнюю Землю и гипотетическую 8-миллиарднолетнюю планету «Икс».

Если планета «Икс» развивалась аналогично Земле, поглядим, на каком уровне развития их цивилизация окажется сегодня. Оранжевый отрезок проиллюстрирует, насколько велик зеленый временной параметр:
Технологии и знания цивилизации, которая всего-то на тысячу лет старше чем мы, повергнут нас в шок, как наш мир оказался бы шокирующим для жителя Средневековья. Цивилизация, старшая на миллион лет, может оказаться вообще недостижимой нашему пониманию, как понимание человеческой культуры недостижимо для шимпанзе. А что говорить о планете «Икс», старшей нас на 3,4 миллиарда лет…

Есть так называемая Шкала Кардашёва, которая разделяет разумные цивилизации на три обширные группы, исходя из количества потребляемой энергии.

Цивилизация I типа имеет возможность использовать всю энергию на собственной планете. Мы, между прочим, пока ещё не дотягиваем до данного уровня, но уже достаточно близки к нему. Карл Саган разработал формулу для этой шкалы. И если условный коэффициент цивилизации I типа взять за единицу, то наш показатель сейчас — 0,7.

Цивилизация II типа может задействовать всю энергию своей звезды. Как это могло бы выглядеть, нам, представителям недо-цивилизации I типа представляется пока слабо, но попытки заглянуть в будущее рисуют нам экстравагантные астросооружения, наподобие сферы Дайсона.

Цивилизация III типа имеет доступ к энергии, которую можно получить со всей галактики.

Если Вам в такой уровень сложно поверить, вспомните про планету «Икс», опередившую нас на 3,4 миллиарда лет. Если цивилизация на планете «Икс» была схожа с нашей (на раннем этапе развития), ей удалось выжить и она преодолела тернистый путь до уровня III, то вполне логично предположить, что они, наверное, освоили межзвездные путешествия и в настоящее время, очень даже может быть, колонизировали всю галактику.

Одна из гипотез о том, как могла бы происходить галактическая колонизация подразумевает создание специального космического корабля, самостоятельно посещающего другие планеты, на которых в течении 500 лет или около того из местного сырья строятся самовоспроизводящиеся реплики этого корабля, которые отправляются к следующим планетам делать то же самое. Даже не путешествуя с околосветовой скоростью, таким образом можно колонизировать всю галактику за 3,75 миллиона лет. Это мгновение, когда речь о масштабах в миллиарды лет.

Продолжаем рассуждать. Если всего 1% разумной жизни удастся прожить достаточно долго, чтобы стать колонизатором галактики, т.е. цивилизацией III типа, то наши расчеты показывают, что в Нашей Галактике уже должно быть не менее тысячи таких сверхцивилизаций. Учитывая их возможности, их присутствие, вероятно, было бы довольно заметно. И все же мы не видим ничего такого, не слышим, и вообще никто к нам пока не прилетел.

________________

Добро пожаловать в парадокс Ферми.

У нас нет ответа на этот парадокс. Лучшее, что мы можем предпринять — это придумывать возможные объяснения. И если спросите десять ученых, о том, что же на самом деле происходит, получите десять разных ответов. Вы ведь наслышаны о научных дискуссиях прошлого, когда учёные спорили, является ли Земля круглой, вращается ли Солнце вокруг Земли или вообще, о том, что молнии возникают, потому что их извергает Зевс. Что? То были тёмные времена, примитивные представления об окружающем мире? С парадоксом Ферми мы примерно на таком же уровне.

Разберём подробнее наиболее известные объяснения парадокса Ферми. Разделим их на две большие группы. В первой группе рассмотрим те гипотезы, которые предполагают, что мы не видим цивилизаций II и III типа, прежде всего потому, что таких цивилизаций нет. Во второй группе — те объяснения, которые предполагают, что сверхцивилизации есть, однако мы не видим следов их присутствия в силу тех или иных причин.

Те, кто придерживаются объяснений из первой группы налегают на так называемую проблему неэксклюзивности (non-exclusivity problem). Они отвергают любую теорию, которая утверждает примерно следующее: «Да, высшие цивилизации есть, но они не входят с нами в контакт, потому что все эти высшие расы ________». Адепты группы 1 ссылаются на беспристрастную математику, которая нам говорит, что должны быть тысячи (а то и миллионы) высших цивилизаций и по крайней мере одна из них будет исключением из правила. Даже если некое правило (почему они не вступают в контакт с человечеством) выполняется для 99,99% сверхразвитых инопланетных рас, оставшиеся 0.01% это правило нарушат и мы достоверно узнали бы, что не одиноки во Вселенной.

Поэтому, утверждают представители группы 1, суперпродвинутых цивилизаций попросту нет и по-другому молчание космоса объяснить нельзя. Математика показывает, что разумные расы должны существовать тысячами только в нашей собственной галактике. Значит есть ещё что-то, некий фактор, мешающий их переходу на высший уровень.

И это что-то называется Великим Фильтром.

Теория Великого Фильтра утверждает, что любая цивилизации в процессе своего развития натыкается на некий барьер, препятствующий её переходу на III уровень. Во время длительного эволюционного процесса разумная жизнь приходит к некоему этапу, преодолеть который крайне маловероятно или вообще невозможно. Этот этап и есть пресловутый Великий Фильтр.

Если эта теория верна, то важно узнать, когда же и при каких обстоятельствах цивилизации сталкиваются с Великим Фильтром?

Этот вопрос отнюдь не праздный, особенно если речь о судьбе человечества. В зависимости от того, каким образом случается Великий Фильтр, мы сталкиваемся с тремя возможными сценариями: мы особенные, мы первые или мы обречённые.

Мы особенные. Великий Фильтр уже позади нас

Некоторая надежда есть на то, что Великий Фильтр уже позади, нам удалось его преодолеть. Сие означает, что жизнь крайне редко достигает того уровня развития, которого уже достигли мы. На диаграмме ниже показано только два разумных вида, оставивших в прошлом Великий Фильтр и мы — один из них.

Этот сценарий объясняет, почему нет цивилизаций III типа и показывает, что мы могли бы быть одним из немногих исключений, сумевших преодолеть критический рубеж. Стало быть, есть надежда. На первый взгляд, мы недалеко уходим от людей, живших 500 лет назад, считавших Землю центром мироздания, а человека — венцом творения Божьего. Тем не менее, мы сталкиваемся с феноменом, который ученые называют «эффект выборочного наблюдателя» (observation selection effect). Если представители вида размышляют о собственной исключительности в контексте разумной жизни, то это прежде всего потому что на их планете с возникновением разумной жизни произошла «история успеха». А так ли это на самом деле, эволюционирует ли жизнь до разумного состояния на самом деле очень редко или достаточно часто, на мысли и выводы рассуждающих это не влияет. Но возможность того, что мы всё-таки особенные, по крайней мере есть. (Прим. переводчика — «Антропный принцип», «Систематическая ошибка выжившего» — из той же темы)

И если мы особенные, то когда именно это проявилось? Какой решительный шаг нам удалось совершить, на котором спотыкаются остальные?

Как вариант: Великий Фильтр мог быть в самом начале. Не исключено, что само зарождение жизни является экстраординарным событием. Жизнь появилась только через миллиард лет после рождения Земли. Люди пытались воспроизвести это событие в лабораториях и у них ничего не вышло. Если это действительно был Великий Фильтр, это означает, что в глубинах космоса практически нет не только разумной жизни — там и просто жизнь днём с огнём не сыщешь.

Ещё вариант: Великим Фильтром мог быть переход от прокариотов к эукариотам. Когда прокариоты появилась на свет, они не развивались в течение почти двух миллиардов лет. И лишь по прошествии такого времени совершили эволюционный скачок, в результате которого они усложнились и приобрели клеточное ядро. Если это Великий Фильтр, то тогда Вселенная кишит примитивными клетками-прокариотами — и только.

Есть ряд других вариантов. К примеру, кто-то считает, что последний скачок мы сделали, обретя интеллект. По мнению большинства учёных переход от полуразумной жизни (шимпанзе), к разумной (человек) не является чем-то невозможным. Но, к примеру, Стивен Пинкер отвергает идею о неизбежности движения вверх по эволюционной лестнице. «Эволюция не стремится к некой цели. Если необходимо, она адаптирует вид, приспосабливая его с достаточной пользой в рамках экологической ниши. И тот факт, что на Земле, это привело к технологическому уровню вида лишь однажды, позволяет предположить, что подобный результат естественного отбора — редкость и, следовательно, ни в коем случае однозначно не определяет эволюционное развитие дерева жизни».

Большинство эволюционных скачков не квалифицируются как вероятные кандидаты в Фильтр. Потенциальный Великий Фильтр, это редкое событие а-ля «один-на-миллиард». И если событие произошло несколько раз, этого достаточно, чтобы исключить его из списка кандидатов. Переход от одноклеточных организмов к многоклеточным не подходит потому, что это происходило достаточно часто, не менее 46 раз в разных частях Земли. Из тех же соображений, если будут найдены окаменелые эукариоты на Марсе, переход от прокариотов к эукаритоам можно будет не рассматривать в качестве возможного Великого Фильтра (а также всё то, то случается до этого момента в эволюционной цепочке). Потому что, если это произошло и на Земле и на Марсе, это определенно не является исключением из разряда «один-на-миллиард».

Если мы действительно особенные, это необязательно может быть следствием неопределенного биологического события. Есть так называемая «Гипотеза уникальной Земли», предполагающая, что хотя в Галактике немало землеподобных планет, для зарождения жизни необходимы специфические условия, связанных с этой солнечной системой. Такой спутник как Луна достаточно необычен (если брать в расчёт такой крупный спутник для такой небольшой планеты, что обеспечивает нам определённые погодные условия и влияет на состояние океана). Или что-то ещё, что делает условия на планете благоприятными для жизни.

Мы первые

Некоторые из тех, кто предпочитает парадигму группы 1, считают что хотя мы не преодолевали Великий Фильтр, есть некоторая вероятность того, что во Вселенной только сейчас, впервые с момента Большого Взрыва, появились условия, способствующие появлению разумной жизни и её последующему развитию. В этом случае, мы и многие другие виды, пока ещё на пути к суперинтеллекту, и качественный скачок просто ещё нигде не произошёл. Мы появились в нужное время и у нас все шансы на то, чтобы стать одной из первых сверхразумных цивилизаций.

Одним из явлений, способствующих такому положению дел, могла бы быть достаточная распространённость гамма-всплесков. Это взрывы чудовищной силы, наблюдаемые в далеких галактиках. Точно также, на ранней Земле только спустя сотни миллионов лет прекратилась астероидная бомбардировка и поутихли древние супервулканы, благодаря чему жизнь наконец-то стала возможной. Быть может, это произошло впервые с начала существования Вселенной, которая насыщена катастрофическими событиями (те же гамма-всплески сжигают время от времени галактические окрестности и не допускали в прошлом развитие жизни до определенной стадии). Теперь, возможно, мы находимся в разгаре фазового перехода Вселенной к астробиологическому состоянию и только относительно недавно настали времена, когда жизнь имеет возможность развиваться в течении необходимого времени.

Мы обречены. Великий Фильтр ещё впереди

Если мы ни особенные, ни первые, то последователи из группы 1 предполагают, что Великий Фильтр ожидает нас в будущем. Жизнь возникает и развивается регулярно, но неизбежно происходит некое событие, мешающее жизни зайти достаточно далеко в своём развитии и достичь сверхинтеллекта. Это происходит практически во всех случаях, и мы вряд ли станем исключением.

На роль Великого Фильтра претендуют вышеупомянутые гамма-всплески — регулярно встречающееся катастрофическое событие. И это вопрос времени, когда всё живое на Земле будет внезапно уничтожено. Другим кандидатом, является гипотетическое неизбежное самоуничтожение, которое происходит с любой цивилизацией, как только она достигает определенного уровня развития своих технологий.

Именно поэтому профессор Оксфордского университета Ник Бостром утверждает, что «отсутствие новостей — наилучшая новость». Открытие даже примитивной жизни на Марсе фактически будет означать, что потенциальные Великие Фильтры не пройдены в прошлом. И если мы обнаружим окаменелости сложной формы жизни на Марсе, по мнению Бострома «это будет наихудшей новостью, которую когда-либо печатали на первых полосах газет». Ибо это означает, что для нас Великий Фильтр впереди и мы, в конечном счете, в будущем обречены на погибель. По поводу парадокса Ферми Бостром придерживается мнения, что «молчание неба — воистину золото».

В группе объяснений №2 предлагается избавиться от каких-либо предположений, что мы редкие и уникальные, самые первые и т.п. Напротив, за основу берётся принцип посредственности. Отправной точкой является то, что Наша Галактика, Солнечная система, планета Земля, уровень интеллекта человеческой расы и пр. — не являются чем-то уникальным и даже наоборот. Также утверждается, что отсутствие признаков деятельности высших существ вовсе не говорит об их несуществовании. В конце концов, диапазон нашего поиска охватывает всего-то около 100 световых лет (0,1% от всей галактики). Возможных объяснений предлагается множество. Приведём с десяток из них.

Объяснение 1. Представители сверхразумной цивилизации уже посещали Землю в далёком прошлом

Наша цивилизация как таковая развивается только последние 50 тысяч лет, небольшой всплеск в океане времени. Если контакт произошёл раньше, то в результате его, разве что напуганые утки по воде крыльями похлопали. Письменность изобретена вообще 5,5 тысяч лет назад. Может, древние охотники-собиратели и столкнулись с НЁХ (crazy alien shit), но вряд ли у них была возможность оставить для потомков адекватное описание произошедшего.

Объяснение 2. Галактика давным-давно колонизирована, просто мы обитаем в захолустье

О том что Америка колонизирована европейцами, племена инуитов на севере Канады узнали спустя много десятилетий. Возможно, имеет место своеобразная «урбанизация», и родные пенаты множества иных цивилизаций соседствуют в определённых местах галактики, где наблюдается повышенная плотность звёздно-планетных систем. И никому нет дела до отдалённой части спирального рукава, где проживаем мы.

Объяснение 3. Концепция колонизации Галактики неинтересна сверхразвитым расам

Помните сферу Дайсона, которую соорудила вокруг своей звезды цивилизация II типа? При таком доступе к энергии, они, возможно, создали идеальную среду для себя, удовлетворяющую абсолютно все их потребности. Ультрапередовыми способами они могли бы снизить потребности в ресурсах и счастливо жить в своей утопии. Вряд ли такая раса захочет выходить из своей зоны комфорта, отправляясь на исследование холодных и враждебных просторов неосвоенной Вселенной.

Более продвинутая цивилизация может вообще рассматривать физический мир, как ужасно примитивное место, имея соответствующие разработки в биологии, позволяющие загружать сознание в виртуальную реальность, где цветёт вечный рай. Жизнь в материальном мире, с его неизбежностью биологической смерти, желаниями и потребностями, может показаться им сродни жизни простейших организмов, прозябающих в тёмных глубинах холодного океана. Скажу по секрету, когда я размышляю о других формах жизни, сумевших победить смерть, душа моя наполняется завистью, оставляя меня в крайне расстроенных чувствах.

Объяснение 4. Во избежание встреч с ужасными цивилизациями-хищниками, разумные расы предпочитают вести себя тихо, не выдавая своё расположение

Это вполне поясняет неприятное для исследователей SETI отсутствие каких-либо сигналов. А также означает, что мы наивные новички, поступающие весьма глупо и рискованно, посылая вовне сообщения. До настоящего времени ведутся споры, следует ли участвовать в проекте METI (от Messaging to Extra-Terrestrial Intelligence т.е. Послания внеземным цивилизациям — SETI «наоборот») или нет. Большинство учёных склонны считать, что всё-таки не стоит этого делать. Стивен Хокинг предупреждает: «Если инопланетяне посетят нас, результат будет подобен тому, когда Колумб высадился в Америке, что, как мы знаем, оказалось не совсем хорошо для коренных американцев». Даже Карл Саган (который, в общем-то верил, что любая цивилизация, освоившая межзвездные перелёты, будет настроена скорее дружелюбно, чем враждебно) называл METI «глубоко неразумной и незрелой» практикой и рекомендовал следующее: «Новые дети в чужом и неизведанном космосе должны спокойно слушать в течение длительного времени, терпеливо изучать Вселенную и как следует удостовериться, прежде, чем кричать в неизвестных джунглях, которые пока не понимают». Как страшно жить.

(Прим. автора — Размышляя об этом, я думаю, что мы всё-таки должны проигнорировать предостережения пессимистов, если получим повторяющиеся сигналы извне. Если мы обратим на себя внимание сверхразвитых существ, то да, они могут нас уничтожить. Но это не сильно разнится от нашей нынешней судьбы — ведь каждый из нас и так умрёт в течение текущего столетия. А может статься, они приглашают нас, чтобы загрузить наше сознание в свою вечную виртуальную утопию, которая позволяет решить проблему смерти. Кроме того, я наконец-то смогу осуществить свою детскую мечту — прогуляться по облакам. Лично мне это всё представляется чертовски привлекательным.)

Объяснение 5. В Нашей Галактике есть разумная форма жизни, эдакий местный «суперхищник» (как люди на Земле), которая гораздо более развита чем остальные и заблаговременно истребляет цивилизации, в своём развитии достигающие определённого уровня

Это будет ещё тот облом (This would suck). Пожалуй, нет надобности уничтожать все возникающие формы разумной жизни. Вполне вероятно, большинство из них вымрут самостоятельно. Но когда молодая динамично развивающаяся цивилизация достигает определённого уровня, сверхраса делает свой ход, ибо для неё другой разумный вид — всё равно что вирус, который будет размножаться и заполонять собою всё вокруг. Эта теория предполагает, что тот, кто первым в галактике достиг сверхинтеллектуального состояния, тот и получает всё, а все остальные потенциальные конкуренты теперь не имеют шансов на выживание. Это объясняет отсутствие активности в Нашей Галактике — количество супер-разумных цивилизаций теперь всегда будет равно одному.

Объяснение 6. В космосе много сигналов от других цивилизаций, но наши технологии слишком примитивны, чтобы распознать и верно интерпретировать их

Вы же не ходите в современном офисном здании с включённой рацией, и на основании того, что не пеленгуете активности (ничего вы, конечно, не услышите, потому что всё друг с другом общаются обычным способом, не используя передатчиков) — не приходите же к выводу, что в здании никого нет? Да и, как заметил Карл Саган, наше сознание может работать экспоненциально быстрее или медленнее, чем другая форма интеллекта. Может, у них 12 лет проходит, пока мы произнесём слово «Привет». В этом случае, когда мы слышим их послания, для нас это просто звучит как белый шум.

Объяснение 7. Контакт с инопланетной разумной жизнью уже налажен, но власть имущие скрывает это от нас

Вы знаете, чем больше я слышу доводов в пользу этой конспирологической теории, тем более идиотской она мне представляется. Но, так как об этом судачат достаточно часто, приходится упомянуть и эту версию.

Объяснение 8. Высшие цивилизации в курсе о нашем существовании и наблюдает за нами («Гипотеза зоопарка»).

Насколько можно судить, если сверхразумные цивилизации существуют, то жизнь в Галактике будет регулироваться. В этом случае наша Земля может рассматриваться как часть общего контролируемого пространства и представлять из себя своего рода охраняемый заповедник. При этом в отношении планет, подобных нашей, будет действовать строгий принцип «Смотри, но не трогай». Мы не замечаем их, потому что, более развитые инопланетные наблюдатели присматривают за нами, без особого труда маскируя от нас своё присутствие. Быть может, есть некое правило, как в сериале «Звездный путь», такая себе «директива наиболее приоритетного уровня», запрещающая сверхразумным существам вступать в открытый контакт с низшими видами. Раскрытие карт происходит, когда молодые расы выходят на должный уровень развития.

Объяснение 9. Высшие цивилизации здесь, вокруг нас. Но мы слишком примитивны, чтобы воспринимать их

Мичио Каку резюмирует: «Допустим, у нас есть муравейник посреди леса. И прямо рядом с муравейником строятся десять ультрасовременных шоссе. И вопрос в том, поймут ли муравьи что рядом с ними пролагают дорогу, да и не одну? Осознают ли муравьи технологии и намерения существ, возводящих свои автобаны рядом с ними?

Речь не о том, что мы не сможем получить сигналы от планеты «Икс» с помощью наших технологий. Имеется в виду, что мы не сможем даже понять, что существа с планеты «Икс» хотят нам сказать. При этом даже если бы инопланетяне захотели, они всё равно не смогли бы просветить нас, это было бы все равно, что пытаться научить муравьев пользоваться Интернетом.

В русле этих рассуждений можно ответить на вопрос: «Ну хорошо, раз уж такая масса предположений про цивилизации III типа, почему же они так и не пообщались с нами?» Чтобы пояснить это, давайте спросим себя: когда Писарро пролагал свой путь в Перу, он останавливался рядом с каким-нибудь муравейником, чтобы пообщаться с его обитателями? Был ли он исполнен благородного великодушия, неся свет просвещения неразумным мурашкам? Или напротив, отнёсся враждебно и приостановил первоначальную миссию, дабы гневно растоптать обиталище презренных насекомых? Или же копошащиеся мелкие твари не представляли для Писарро ни малейшей ценности, ни даже мимолётного интереса? Возможно, сверхцивилизации по тем же причинам и игнорируют нас.

Объяснение 10. У нас совершенно превратные представления о реальности

Есть вероятность, что действительность вообще окажется совсем на такой, какой она нами воспринимается. Вселенная может оказаться чем-то совершенно иным, например голограммой. Или, может быть, мы сами инопланетяне, и нас заселили здесь в экспериментальных целях? А то и вовсе разводят для дальнейшего использования в качестве компоста? А может даже, мы все — часть компьютерного моделирования, которую изучает исследователь из другого мира, и другие формы жизни просто не запрограммированы в симуляции?

________________

И пока мы продолжаем наши (вполне может оказаться — тщетные) поиски внеземного разума, я не уверен до конца, хочу или не хочу, чтобы они увенчались успехом? Действительно, осознание того что мы всё-таки одиноки во Вселенной или же мы лишь одни из многих — может оказаться кошмаром, ибо данная тема предполагает множество сюрреалистических сценариев дальнейшего развития. В любом случае, то что в итоге окажется истиной — будет ошеломительным.

Помимо стресса от научно-фантастической составляющей, парадокс Ферми также учит глубочайшему смирению. Речь не только о том, что Вселенная навевает мысли, наподобие «О, да, я ничтожен и мое существование длится жалкое мгновение», что несколько унизительно. Парадокс Ферми наносит и более болезненный удар. Обидно, когда спустя много бесплодных часов исследований, внимая наиболее авторитетным ученым (предлагающих теории одну бредовее другой), снова и снова приходится менять свое мнение, принимая версии, дико противоречащие друг другу. И будущие поколения будут смотреть на нас так же, как мы смотрим сейчас на людей далёкого прошлого, которые были уверены, что звезды — это дырочки в куполе небосвода. И наши потомки поймут про нас: «Да уж, эти действительно понятия не имели, что происходит на самом деле!»

И все наши разговоры про цивилизации II-III типа только усугубляют удар по самооценке нашего вида. Тут, на Земле, мы выступаем в роли царьков в своих маленьких замках. Надменные правители и толпы безумцев все вместе делят друг с другом планету. В нашем мирке у нас нет конкурентов, за наши деяния некому судить нас, мы изредка задумываемся, насколько мы можем оказаться ничтожными по сравнению с кем-то. Будем надеяться, что проведя изрядное количестве времени в обсуждении цивилизаций II и III типа на ушедшей неделе, девидо-брентовской властной гордыни в нас поубавится.

Да, я придерживаюсь мнения, что человечество лишь одинокая сирота, приютившаяся на куске камня посреди пустынной Вселенной. И приходится смириться с тем фактом, что мы не так умны как мы думаем, да и вообще, многое из того, в чём мы свято уверены — на самом деле ломаного гроша не стоит. И тем не менее, это прекрасно! Хотя это не распахивает дверь, а лишь приоткрывает узенькую щёлочку — возможно, это начало истории, которая гораздо увлекательнее, чем мы можем представить.

Парадокс Ферми против уравнения Дрейка. Мы одни во Вселенной?

«Где они?», задавался вопросом физик Энрико Ферми, размышляя о жизни в космосе. Он рассуждал, что, если генезис жизни не сложный, то Вселенная должна изобиловать зелеными существами на триллионах планет. Прошло почти 14 миллиардов лет с момента Большого взрыва, и некоторые из чужеродных цивилизаций должны были стать технологически развитыми и межпланетными, поэтому их обнаружение не составило бы труда. Так почему же мы до сих пор «одиноки»? Есть ответ: отсутствие доказательств внеземной жизни известно как парадокс Ферми.

Энрико Ферми. Итальянский физик, наиболее известный благодаря созданию первого в мире ядерного реактора, внесший большой вклад в развитие ядерной физики, физики элементарных частиц, квантовой и статистической механики. Считается одним из «отцов атомной бомбы».

Парадокс подверг сомнению возможность обнаружения внеземных цивилизаций и связан с попыткой ответить на один из важнейших вопросов современности: «Является ли человечество единственной технологически развитой цивилизацией во Вселенной?». Попыткой ответа на этот вопрос служит уравнение Дрейка, которое оценивает количество возможных для контакта внеземных цивилизаций. Оно может давать при некоторых значениях неизвестных параметров довольно высокую оценку шансам на такую встречу. На подобные выводы Ферми ответил, что, если в нашей Галактике должно существовать множество развитых цивилизаций, то надо ответить на вопрос: «Где они? Почему мы не наблюдаем никаких следов разумной внеземной жизни, таких, например, как зонды, космические корабли или радиопередачи?». Допущения, которые легли в основу парадокса Ферми, часто называют Принципом Ферми.
Уравнение Дрейка: N = R · f_p · n_e · f_l  · f_i · f_c · L, где:

N – количество разумных цивилизаций, готовых вступить в контакт;

R – количество звёзд, образующихся в год в нашей галактике;

f_p – доля звезд, обладающих планетами;

n_e – среднее количество планет (и спутников) с подходящими условиями для зарождения цивилизации;

f_l –  вероятность зарождения жизни на планете с подходящими условиями;

f_i – вероятность возникновения разумных форм жизни на планете, на которой есть жизнь;

f_c – отношение количества планет, разумные жители которых способны к контакту и ищут его, к количеству планет, на которых есть разумная жизнь;

L – время жизни такой цивилизации (то есть время, в течение которого цивилизация существует, способна вступить в контакт и хочет вступить в контакт).

Фрэнк Дональд Дрейк сформулировал уравнение в 1960 году во время подготовки к телеконференции, на которой собрались ведущие астрономы, физики, биологи, социологи и промышленники, чтобы обсудить возможность обнаружения разумной жизни на других планетах.

Фрэнк Дональд Дрейк. Родился в Чикаго, учился на факультете электроники Корнеллского университета. Прослушав курс лекций прославленного астронома Отто Струве о формировании планетных систем, на всю жизнь загорелся интересом к вопросам внеземной жизни и цивилизаций.

Когда Дрейк выступал со своей формулой, он не предполагал, что она послужит аргументом для сторонников SETI, обеспечившим проекту финансирование на десятилетия вперед.

Парадокс Ферми имеет много других предполагаемых решений, например, что мы действительно одиноки в космосе, или, что Земля изолирована от межзвездного сообщества до тех пор, пока люди не станут «ответственными гражданами галактики». Самое страшное из всех – идея Великого фильтра – некий неизбежный вектор развития, при котором у всех цивилизаций есть относительно короткий срок существования, возможно потому что они развиваются и становятся жертвами саморазрушительных технологий. При таком сценарии шансы на существование двух цивилизаций в непосредственной близости ничтожно малы, и они всегда будут ощущать себя одинокими.

Парадокс Ферми? Нет, не слышали!

Американский астроном Джейсон Райт, профессор астрономии из Университета штата Пенсильвания, 24 апреля 2017 года опубликовал статью, в которой он перефразировал Ферми так: «Где они были?». Он задается вопросом, возникали ли в прошлом в Солнечной системе и ее окрестностях «коренные» технически развитые цивилизации и какое наследие они могли оставить нам, жителям Земли.

До того, как люди начали бродить по Земле

Исходя из работы Джейсона Райта, Вселенная может быть заполнена остатками мертвых цивилизаций. Ученый не опирается на шансы «созерцать» жизнь где-то за десятки и сотни световых лет, где ее невероятно сложно обнаружить, а рассматривает возможность существования цивилизаций в ранней Солнечной системе, которые пали жертвой Великого Фильтра сотни миллионов, если не миллиардов, лет до того, как люди сделали первые шаги по Земле.

Инопланетная жизнь в представлении Карла Сагана.

Если бы разумная жизнь существовала здесь или на других планетах и лунах, какие следы и где мы должны искать? В разрушительной среде Венеры и агрессивной тектонике Земли любые «рукотворные» сооружения были бы разрушены за столь долгое время. Но на медленно меняющихся Марсе, Луне и, возможно, покрытых вечной мерзлотой спутниках газовых гигантов, города древних цивилизаций могли бы сохраниться под толщей льда и каменных пород. Кроме этого, технически развитые предшественники могли бы оставить после себя радиоизотопные источники энергии, выдающие себя на протяжении миллиардов лет.

И хотя это лишь предположение, не стоит забывать, что наши космические корабли по сей день лишь «царапали» поверхность любой из планет. Когда мы, наконец, начнем «копаться в грязи» других миров, мы, вполне возможно, сможем обнаружить неопровержимые доказательства присутствия тех, кто считал себя центром Вселенной, кто сгорал еретиком, опровергая свое величие, смотрел на Млечный Путь, считал звезды, восхищался Солнцем, не думая о Великом фильтре. Но стал пылью. Стал заложником времени, заложником необъяснимой Вселенной.

Энергия Ферми — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 20 ноября 2014; проверки требуют 26 правок. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 20 ноября 2014; проверки требуют 26 правок.

Энергия (уровень) Фе́рми (EF{\displaystyle E_{F}}) системы невзаимодействующих фермионов — это увеличение энергии основного состояния системы при добавлении одной частицы. Это эквивалентно химическому потенциалу системы в её основном состоянии при абсолютном нуле температур. Энергия Ферми может также интерпретироваться как максимальная энергия фермиона в основном состоянии при абсолютном нуле температур. Энергия Ферми — одно из центральных понятий физики твёрдого тела.

Физический смысл уровня Ферми: вероятность обнаружения частицы на уровне Ферми составляет 1/2 при любых температурах, кроме T=0{\displaystyle T=0}^[1].

Название дано в честь итальянского физика Энрико Ферми.

Фермионы — частицы с полуцелым спином, обычно 1/2, такие как электроны — подчиняются принципу запрета Паули, согласно которому две одинаковые частицы, образуя квантово-механическую систему (например, атом), не могут принимать одно и то же квантовое состояние. Следовательно, фермионы подчиняются статистике Ферми — Дирака. Основное состояние невзаимодействующих фермионов строится начиная с пустой системы и постепенного добавления частиц по одной, последовательно заполняя состояния в порядке возрастания их энергии (например, заполнение электронами электронных орбиталей атома). Когда необходимое число частиц достигнуто, энергия Ферми равна энергии самого высокого заполненного состояния (или самого низкого незанятого состояния: в случае макроскопической системы различие не важно). Поэтому энергию Ферми называют также уровнем Фе́рми. Частицы с энергией, равной энергии Ферми, двигаются со скоростью, называемой скоростью Фе́рми (только в случае изотропного дисперсионного соотношения в среде).

В свободном электронном газе (квантово-механическая версия идеального газа фермионов) квантовые состояния могут быть помечены согласно их импульсу. Нечто подобное можно сделать для периодических систем типа электронов, движущихся в атомной решётке металла, используя так называемый квазиимпульс (Частица в периодическом потенциале). В любом случае, состояния с энергией Ферми расположены на поверхности в пространстве импульсов, известной как поверхность Ферми. Для свободного электронного газа, поверхность Ферми — поверхность сферы; для периодических систем она вообще имеет искаженную форму. Объём, заключённый под поверхностью Ферми, определяет число электронов в системе, и её топология непосредственно связана с транспортными свойствами металлов, например, электрической проводимостью. Поверхности Ферми большинства металлов хорошо изучены экспериментально и теоретически.

Уровень Ферми при ненулевых температурах[править | править код]

Для важного случая электронов в металле при всех разумных температурах можно считать kT≪μ{\displaystyle kT\ll \mu }. Такую ситуацию называют вырожденным ферми-газом. (В другом предельном случае kT≫μ{\displaystyle kT\gg \mu } ферми-газ называют невырожденным, числа заполнения невырожденного ферми-газа малы и его можно описывать классической больцмановской статистикой.)

В качестве уровня Ферми можно выбрать уровень, заполненный ровно наполовину (то есть уровень состояния, вероятность заполнения которого частицей равна 1/2).

Энергия Ферми свободного ферми-газа связана с химическим потенциалом уравнением

μ=EF[1−π212(kTEF)2+π480(kTEF)4+…],{\displaystyle \mu =E_{F}\left[1-{\frac {\pi ^{2}}{12}}\left({\frac {kT}{E_{F}}}\right)^{2}+{\frac {\pi ^{4}}{80}}\left({\frac {kT}{E_{F}}}\right)^{4}+\ldots \right],}

где EF{\displaystyle E_{F}} — энергия Ферми, k{\displaystyle k} — постоянная Больцмана, и T{\displaystyle T} — температура. Следовательно, химический потенциал приблизительно равен энергии Ферми при температурах намного меньше характерной температуры Ферми EF/k{\displaystyle E_{F}/k}. Характерная температура имеет порядок 10⁵K для металла, следовательно при комнатной температуре (300 K), энергия Ферми и химический потенциал фактически эквивалентны. Это существенно, потому что химический потенциал не является энергией Ферми, которая входит в распределение Ферми — Дирака^{[источник не указан 780 дней]}.

Энергия, температура и скорость Ферми[править | править код]

Элемент	Энергия Ферми, эВ	Температура Ферми, ×10 000 K	Скорость Ферми, ×1000 км/с
Li	4,74	5,51	1,29
Na	3,24	3,77	1,07
K	2,12	2,46	0,86
Rb	1,85	2,15	0,81
Cs	1,59	1,84	0,75
Cu	7,00	8,16	1,57
Ag	5,49	6,38	1,39
Au	5,53	6,42	1,40
Be	14,3	16,6	2,25
Mg	7,08	8,23	1,58
Ca	4,69	5,44	1,28
Sr	3,93	4,57	1,18
Ba	3,64	4,23	1,13
Nb	5,32	6,18	1,37
Fe	11,1	13,0	1,98
Mn	10,9	12,7	1,96
Zn	9,47	11,0	1,83
Cd	7,47	8,68	1,62
Hg	7,13	8,29	1,58
Al	11,7	13,6	2,03
Ga	10,4	12,1	1,92
In	8,63	10,0	1,74
Tl	8,15	9,46	1,69
Sn	10,2	11,8	1,90
Pb	9,47	11,0	1,83
Bi	9,90	11,5	1,87
Sb	10,9	12,7	1,96
Ni	11,67		2,04
Cr	6,92		1,56

Связь энергии Ферми и концентрации электронов проводимости[править | править код]

Концентрация электронов проводимости в вырожденных полупроводниках связана с расстоянием от края частично заполненной энергетической зоны до уровня Ферми. Эту положительную величину иногда тоже называют энергией Ферми, по аналогии с энергией Ферми свободного электронного газа, которая, как известно, положительна.

В металлах обычно имеется несколько частично заполненных энергетических зон, поэтому указать точный вид зависимости концентрации свободных носителей заряда от положения уровня Ферми не представляется возможным.

• Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника. — М.: Высшая школа, 1991. — С. 53. — ISBN 5-06-000681-6.