Разрешение парадокса ферми

РАЗРЕШЕНИЕ ПАРАДОКСА ФЕРМИ
Связь с инопланетянами

Борис Ихлов

Реферат

Если рядом проходит белая лошадь, вы говорите, что рядом прошла белая лошадь.
Хотя вы видели только один ее бок. А второй бок – не видели. Никогда. Но вы не говорите, что ее второй бок – предположительно белый. Вы знаете точно – белый! Почему? Потому что вы знаете закон природы: лошади не бывают с боками разных цветов.
И Джордано Бруно, и Энгельс были убеждены в существовании внеземных цивилизаций. Они их никогда не видели. Но их наличие – это не гипотеза, не предположение, а такой же факт, как и белый второй бок лошади.
Дело в том, что, как указывал Гегель, природа развивается от низшего к высшему, от простого к сложному. За физической формой движения материи следует химическая, за ней биологическая, за ней – социальная форма движения.
Во Вселенной порядка 1023 звезд, примерно столько же – звездных систем с планетами. Если природа развивается к социальной форме движения, то возникновение жизни на Земле – не случайность, жизнь закономерно должна возникнуть и на других планетах.

Парадокс Ферми гласит, что, несмотря на очевидное существование внеземных цивилизаций, их наличие ничем научным не подтверждается.
Существует гипотеза, будто бы объясняющая парадокс Ферми - что разумная жизнь встречается редко (гипотеза редкой Земли). Есть версии, что внеземные цивилизации не желают вступать в контакт с землянами, что они будут использовать способы коммуникации, которые на Земле еще не открыли. Возможно, они уничтожат себя до того, как освоят технологии межзвездных путешествий или связи.
Вполне возможно, что большинство цивилизаций в Вселенной уже исчезло. Так, земной цивилизации грозит 1) исчерпание ресурсов, 2) тектонические сдвиги, глобальное потепление, 3) смена полюсов, перемена расстояния до Луны, попадание крупного метеорита, 4) расширение Солнца, столкновение с туманностью Андромеды. То есть, цивилизации не развились достаточно, чтобы спастись, покинув родную планету.

В гигантской Вселенной инопланетяне никогда не полетят на ту планету, о которой они ничего не знают. Следовательно, прежде чем лететь и тратить ресурсы – необходимо связаться, обменяться, скажем, радиосигналами.
Отсутствие сигналов внеземных цивилизаций указывает, во-первых, на отсутствие на Земле или на небе вблизи Земли инопланетян. Во-вторых, указывает на малую плотность технологических обществ рядом с Землей.

Клаудио Гримальди из EPFL выяснил, что в радиусе 1000 световых лет от Земли отсутствуют признаки внеземных цивилизаций (The Astronomical Journal). Гримальди применил байесовский анализ, чтобы оценить вероятность обнаружения сигналов от технологических цивилизаций.
Чтобы обнаружить сигналы цивилизаций нужны более чувствительные инструменты, такие как SKA или ngVLA. Главная идея работы Гримальди – в выводе, что первый реальный сигнал может прийти с другого края Млечного Пути.
Однако есть физические препятствия получения таких сигналов.

Ослабление

Межзвездная среда содержит газ, включающий ионы, пыль, фотоны различной частоты – электромагнитные шумы звезд, шумовой фон галактики, реликтовое излучение.
Радиосигнал, проходя через такую среду, ослабляется, затухает.
Некоторые виды затухания: 1) геометрическое ослабление — сигнал расходится по поверхности сферы, интенсивность падает как 1/r;; 2) замирание - в беспроводных системах сигнал испытывает различия в ослаблении, задержке и сдвиге фазы из-за отражателей в среде.
Коэффициент ослабления радиоволн, например, в дожде или в тумане прямо пропорционален влажности и обратно пропорционален длине волны:
k = 0483 ; / ;2 ; ; ; 3S-4/3 ,
где S – дальность предельной оптической видимости.
Погонный коэффициент затухания радиосигнала над водной гладью для волн УВЧ-диапазона — около 0,006875 дБ/м. Для частоты менее 57 ГГц коэффициент затухания в кислороде зависит от частоты f :
k = af + bf2 .
где a и  b – коэффициенты. При росте температуры коэффициент ослабевает как (1- 0,01(t-15)) (по Цельсию). Если при отрицательной температуре –50 °С и при частоте радиосигнала 2 ГГц коэффициент ослабления составляет 0,0205 дБ/км, при частоте 10 ГГц - 0,031 дБ/км. (0,001 Вт/км).
Для частоты 6 ГГц понижение температуры воздуха с 0 °С до –60 °С приводит к увеличению коэффициента ослабления в 1,5 раза.
Основное влияние ионосферы на условия распространения радиоволн - на частотах ; < 100 МГц (; > 3 м)
Очевидно, что главными факторами ослабления радиосигнала являются проводимость и плотность среды.
При этом нужно учитывать, что, например, кровь при низких частотах ведет себя как проводник, но для сантиметровых волн это прозрачный диэлектрик. В то же время, температурный фактор - значительно слабее. Однако к межзвездной среде все эти оценки не применимы.

Средняя плотность межзвёздного газа — 1 атом на 1 см;. Количество молекул в одном кубическом сантиметре воздуха у поверхности Земли при температуре +15 °С и давлении 760 мм рт. ст. их число составляет 2,6 ; 1019 .
Это дает возможность предполагать, что радиосигнал в межзвездном пространстве практически не затухает. Напр., предполагается, что связь в «Вояджером-2» на расстоянии 1/360 светового года (25 млрд. км) осуществляется беспрепятственно.

Интегральная мощность излучения пульсаров в радиодиапазоне велика — 1019 –1023 Вт. У некоторых обнаружено мощное излучение в других диапазонах, напр., у пульсара PSR 0531+21 в Крабовидной туманности полная мощность излучения – 1024 Вт.
Мощность земных станций – менее 1 МВт.
Для связи с «Вояджерами» на Земле используются передатчики с мощностью до 20 кВт.
Допустим, излучаемая в пространство мощность осуществляется с площади 1000 кв. м = 103 кв. м, такой же площади – направленный луч.
Тогда плотность потока мощности земного источника вблизи антенны = 2 х 104 / 103 ~ 101 Вт/кв. м.

Мощность излучения Солнца 3,8 x 1020 МВт.
Радиус Солнца – 6,7 х 108 м. Площадь – 2 х 3,14 х 6,72 х 1016 кв. м. ~ 1018 кв. м.
Плотность потока мощности вблизи Солнца = 1020 / 1018 = 102 Вт/кв. м, что на порядок больше плотности потока мощности радиопередатчика для «Вояджеров».

БОльшая часть межзвездного радиоизлучения не доходит до Земли и задерживается гелиосферой. Т.е. для связи сигнал нужно пытаться обнаружить за границей системы. Размер гелиосферы – 1013 м = (/ 1016 м) = 10-3 светового года.
Таким образом, представления, что передача сигнала на космический аппарат не затруднена, т.к. в дальнем космосе естественный фон радиоизлучения очень слаб – являются неверными.

Искажения

С помощью радиотелескопа Allen Telescope Array проследили, как стабильный радиосигнал пульсара PSR J0332+5434 меняется при прохождении через неравномерный межзвездный газ.
Конечно, математические методы с применением компьютеров позволяют отделять естественные искажения межзвездной среды от сигналов, которые могут иметь искусственное происхождение. Но сами сигналы могут быть искажены.

Искажения радиосигнала, если передаются цифровые данные, приводят к появлению двоичных ошибок — двоичная единица может преобразоваться в нуль и наоборот.
Некоторые виды искажений:
нелинейные — вызваны нелинейностью среды, по которой передается сигнал, вызывают появление в частотном спектре выходного сигнала составляющих, отсутствующих во входном сигнале.
Частотные — вызваны неидеальностью амплитудно-частотной характеристики среды, по которой передается сигнал.
Фазовые — вызваны неидеальностью фазо-частотной характеристики среды, по которой передается сигнал, нарушают фазовые соотношения между отдельными спектральными составляющими сигнала.
Динамические — вызваны неидеальностью динамических характеристик (быстродействие, перерегулирование и т. д.) среды, по которой передается сигнал, веду к искажению формы сигнала.
Диссипация — носитель забирает энергию, когерентность и структуру сигнала в свои внутренние степени свободы. В этом случае сигнал не просто «распределился», он изменился так, что его нельзя расшифровать.

Современные телескопы позволяют рассматривать объекты, удаленные от нас на миллиарды световых лет, например, квазары. Благодаря этим наблюдениям можно увидеть то время, когда возраст Вселенной составлял сотни миллионов лет. Тот факт, что столь удаленные объекты видны как компактные пятнышки, означает, что излученный ими свет, пролетев за миллиарды лет пол-Вселенной, сумел дойти до Земли почти без искажения. Факт наблюдения квазаров означает, что Вселенная достаточно прозрачна для оптических фотонов.

Однако даже в отсутствие газопылевых облаков космическое пространство заполнено электромагнитным излучением. Это свет звезд, тепловое излучение горячего газа, реликтовое микроволновое излучение, оставшееся от эпохи Большого взрыва.
Сигнал, проходя через область плазмы с сильными флуктуациями диэлектрической проницаемости подвергается модуляции, в результате его спектр и внутриспектральные фазовые соотношения изменяются.
Фотон, испущенный квазаром, подвергается многочисленным столкновениям и рассеяниям на других фотонах.

В рамках классической электродинамики фотоны не могут взаимодействовать друг с другом. В рамках обычной оптики два луча света, проходящие друг сквозь друга в вакууме, не влияют друг на друга.
В квантовой электродинамике два фотона могут столкнуться друг с другом и рассеяться, но не напрямую — ибо кванты света не заряжены. Вместо этого из одного фотона образуется промежуточная виртуальная пара частица-античастица (электрон-позитрон), на не и рассеивается второй фотон.
Процесс упругого столкновения двух фотонов ;;;;;;;, или «рассеяние света на свете», — это один из примеров нарушения классической электродинамики, классических уравнений Максвелла.
Как же происходит взаимодействие с виртуальной парой?
Эффект Комптона — упругое рассеяние фотона заряженной частицей, приводит к уменьшению энергии, поскольку часть энергии фотона передаётся отражающей частице, что соответствует увеличению длины волны фотона. Обратное комптоновское рассеяние происходит, когда заряженная частица передаёт фотону часть своей энергии, что соответствует уменьшению длины волны кванта света.
Для обычных оптических фотонов сечение этого рассеяния настолько мало, что нет возможности зарегистрировать его в лаборатории. Однако с повышением энергии фотонов сечение резко растет, и его можно заметить на космических масштабах.
Т.н. рассеяние Дельбрюка — рассеяние фотонов на виртуальных фотонах сильного электромагнитного поля (например, на кулоновском поле ядра). В отличие от комптоновского, дельбрюковское рассеяние не меняет энергии фотона в системе отсчёта, в которой векторный потенциал поля в точке рассеяния равен нулю. Дельбрюковское рассеяние может происходить как с сохранением, так и с инверсией спина фотона.
Напрямую рассеяние фотона на фотоне удалось зарегистрировать в Большом адронном коллайдере.

По оценке Дэвиса (1977), длина свободного пробега фотонов в межгалактическом пространстве — примерно 10 миллиардов световых лет. По мнению Лоуренса Краусса (1999), она превышает размер видимой Вселенной.
Очевидно, что это неверно: на своем пути во Вселенной фотон проходит через мощные гравитационные поля. Кроме того, как мы видели выше, свет проходит не только зоны значимого электромагнитного фона, но и пространства, заполненные заряженными частицами.

Но главное в другом: тот факт, что на Земле возможно уловить излучение, например, далеких квазаров, говорит только об интенсивности сигнала, но не об искажении содержащейся в нем информации.

Что было сделано

Проект SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence, то есть «Поиск внеземного разума») – 1959 год.

В СССР в 1960-х проводили ряд исследований с использованием всенаправленных антенн в надежде уловить радиосигналы.

В 1960 году астроном Корнеллского университета Френк Дрейк провел эксперимент по поиску внеземных цивилизаций. Дрейк использовал радиотелескоп диаметром 26 метров, чтобы исследовать звезды Тау Кита и Эпсилон Эридана в районе маркерной частоты 1,420 ГГц.

Первое официальное сообщение внеземным цивилизациям было отправлено 19 ноября 1962 года из Центра Дальней Космической Связи неподалёку от Евпатории. Послание состояло из трёх слов: «Мир, Ленин, СССР», отправленных азбукой Морзе в сторону поверхности Венеры.

Проект «Циклоп», предложенный NASA в 1971 году. Телескоп так и не был построен, но в 1974 году сообщение было отправлено с гигантского радиотелескопа в Аресибо в Пуэрто-Рико в направлении шарового звёздного скопления М13.

Проект Breakthrough Listen. В декабре 2020 года сотрудники проекта объявили о сигнале BLC-1, который по всем параметрам походил на послание внеземного разума. Однако эксперты пришли к выводу, что BLC-1 имеет земное происхождение.

В начале 1980-х годов Пол Горовиц (Гарвард) предложил конструкцию анализатора спектра, специально предназначенного для поиска сигналов внеземного разума. В 1981 году был создан портативный анализатор Suitcase SETI, способный обрабатывать 131 000 узкополосных каналов. Suitcase SETI был запущен в 1983 году на 26-метровом радиотелескопе. Этот проект «Сентинел» продолжался до 1985 года.

Но 131 000 каналов недостаточно для детального и быстрого сканирования неба, поэтому в 1985 году на смену Suitcase SETI пришел проект META («Мегаканальный внеземной анализ»). Анализатор спектра META имел 8,4 млн каналов с разрешением 0,05 герца.
Продолжение проекта META - BETA («Миллиардно-канальный внеземной анализ»). Наблюдения начались 30 октября 1995 года.

Сигналы с Земли достигли более 1000 звезд, Веги (25,3 световых года), Альдебарана (65 световых лет), Звезды Бернарда (6 световых лет), Сириуса (8,6 световых дет) и Проксимы Центавра (4,2 световых года).
В 2001-м сообщения были отправлены на созвездия Дельфинуса (альфа – 241, бета – 97 световых лет), Девы (альфа – 303 световых года), Гидры (196 световых лет), к Большой Медведице (140 световых лет), Дракону (270 световых лет) и к Близнецам (бета, Поллукс – 35 световых лет).
Эти сигналы могли бы быть услышаны и расшифрованы, несмотря на то, что часть сигнала искажается ионосферой Земли.

Некоторые международные радиотелескопы используются для радиопоисков внеземных цивилизаций, в т.ч. Низкочастотная решетка LOFAR в Европе, Гирокоугольная решетка Мерчисона (MWA) в Австралии и телескоп Лоуэлла в Великобритании.
Вплоть до 2020 года осуществлялись проекты сооружения всё более свершенных приемников внеземных сигналов. Исследовались практически все диапазоны, включая видимый свет, производился поиск внеземных зондов.
Были разработаны специфические языки и обучающие коды.

Разрешение парадокса

Из вышеизложенного видим, что число сигналов, посланных инопланетянам, до смешного мало. Кроме того.
1) Во-первых, ученые не знают, в какую часть неба направить сигнал.
Во-вторых, сигналы внеземных цивилизаций должны быть направлены точно на Солнечную систему, но могут пройти мимо Земли. И наоборот.
2) Нужно держать радиоприемники включенными, но их регулярно выключают.
3) Сигналы, ответы на которые можно получить в обозримом будущем, были направлены – из указанный выше - только в 5 точек звездного неба. Ответ из других точек можно ожидать только через 100 и более лет.
Ответы на посланные сигналы с 1999 года можно ожидать в интервале от 2036 г. до 2070 г.
4) Задача об искажении сигнала на больших расстояниях в Вселенной в сообществе физиков не только не решена, она даже еще и не поставлена.

По подсчётам учёных из Института космических исследований Австрийской академии наук, ближайшая к Земле технологически развитая внеземная цивилизация может находиться не ближе 33 тысяч световых лет. 
Однако это расстояние значительно меньше.
Между тем, известно: если увеличивать расстояние между наблюдателем и зеркалом, отражение будет становиться всё более расплывчатым и, в конечном итоге, изменится до неузнаваемости через несколько десятков метров.
На километровых расстояниях через турбулентную атмосферу сигнал, закодированный в виде «закрученности» фотонов, может сильно исказиться.

Понятно, что космос гораздо более разрежен, нежели воздух. Однако разница в плотности с лихвой компенсируется гигантскими расстояниями.
Кроме того, нужно учесть, что в отличие от воздуха межзвездный газ заполнен электронами, протонами, альфа-частицами.
Если воздух плотнее космоса в 1019 раз, то на расстоянии уже 1019 м сигнал от инопланетян будет довольно сильно искажен.
Это граница – 1019 м / 1016 м = 1000 световых лет. Дальше этой границы внеземные цивилизации искать бесперспективно, сигнал искажается.

Если результаты Гримальди верны, что до 1000 световых лет инопланетян не обнаружено, то искать внеземные цивилизации вообще бесполезно.
Если же оценка Гримальди неверна, вступает в силу другое ограничение: время приема сигнала.
Чтобы получить ответ от внеземной цивилизации в 2026 году, нужно было послать сигнал в 1960-м на расстояние 66 световых лет.
Если учесть, что интенсивное зондирование дальнего космоса началось в 1999 году, к сегодняшнему дню «ответный» радиус ограничен 13 световыми годами. Ближайший возможный ответ – от Глизе, в 2029 году.
То есть, по части ответов на сигналы с Земли парадокс Ферми не будет нарушен до 2029 года минимум.
Теперь представим, что масса инопланетян внутри шара радиусом 1000 световых лет пытается послать сигнал инопланетным существам. Чем меньше радиус внутри шара, на котором могли бы находиться инопланетяне, тем больше вероятность попадания сигнала в Солнечную систему.

Если поиск землян велся хотя бы миллиард лет, то сигналы достигли бы Земли в активный период с 1980 года со стопроцентной вероятностью. Такие сигналы не были получены, это означает, что оценка Гримальди верна.

Таким образом, в рамках существующей физической парадигмы и в рамках тех способов, которыми производятся попытки контакта парадокс Ферми разрешен.

Кто может быть услышан?

В проекте «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope, EHT) телескопы, расположенные в разных местах Земли, синхронизированы.
EHT — система из нескольких наземных радиотелескопов, предназначенных для получения изображений чёрных дыр. Хотя телескопы не связаны друг с другом физически, получаемые ими наблюдательные данные необходимо было точно синхронизировать с помощью атомных часов.
Использование метода интерферометрии со сверхдлинной базой и вращения планеты позволяет объединить телескопы в единый гигантский телескоп размером с земной шар.
Однако для связи с внеземными цивилизациями необходима синхронизация иного рода. Нужно не увеличение площади телескопа, а его раздвоение.

Для этого земная цивилизация должна занять промежуточный уровень между 1-м и 2-м типом по шкале Кардашёва. 1-й тип – это цивилизация, энергопотребление которой сравнимо с мощностью, получаемой планетой от центральной звезды и энергетических источников самой планеты. Для Земли полная энергия от Солнца - 1,74·1017 Вт. 2-й тип - энергопотребление сравнимо с мощностью центральной звезды. Для Солнца - 3,828·1026 Вт.
Не нужно достигать мощности Солнца, но нужно выйти за пределы Земли и научиться использовать ресурсы планет Солнечной системы.
Необходимо расположить один телескоп на Земле, а другой – где-нибудь на Титане или на Луне.
Понятно, что требование 1,5 уровня по Кардашёву резко уменьшает число цивилизаций, способных к контакту и отчасти объясняет парадокс Ферми.

Февраль 2026