Млечный путь № 1 2018

Павел АМНУЭЛЬ
ВСЕЛЕННАЯ СТИВЕНА ХОКИНГА

12 марта 2018 года в Кембридже скончался выдающийся британский ученый, физик-теоретик Стивен Хокинг. Вряд ли можно найти человека, сколько-нибудь интересующегося наукой, да даже и не интересующегося, но смотрящего телевизор и читающего газеты, который не слышал бы о Хокинге. О том, что именно Хокинг сделал для физики, знает на самом деле довольно узкий круг ученых, а о том, каким был Хокинг в жизни, известно каждому.

В Интернете, конечно, все СМИ писали о Хокинге – в основном, о его удивительной и героической биографии.

Родился Стивен Хокинг 8 января 1942 года в Оксфорде. Родители работали в Медицинском центре в Хампстеде. Отец – исследователем, мать – секретарем. В Википедии (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A5%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D0%BD%D0%B3,_%D0%A1%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%B5%D0%BD)

сказано: «В 1962 году Стивен окончил Оксфордский университет (степень B. A.), а в 1966 году в колледже Тринити-холл Кембриджского университета получил степень Ph. D., защитив диссертацию «Свойства расширяющихся вселенных».

На сайте «Интерфакса» http://www.interfax.ru/world/603477 можно прочитать более подробно:

«Исследовательскую деятельность Хокинг начал еще в годы учебы в Кембридже, преподавал теорию гравитации, гравитационную физику, работал в Институте астрономии, на кафедре прикладной математики и теоретической физики Кембриджа. В Калифорнийском технологическом институте, куда его пригласили в 1974 году, он занимался, в частности, вопросами общей теории относительности. В 1979 физик получил должность Лукасовского профессора Кембриджского университета и занимал ее до 2009 года.

Более 20 лет Хокинг руководил группой, занимающейся проблемами вокруг теории относительности и вопросами гравитации. В 2007 году он основал при Кембриджском университете Центр теоретической космологии».

Одно из наиболее популярных произведений Хокинга – «Краткая история времени». Вышедшая в 1988 году с подзаголовком «От большого взрыва до черных дыр» книга сразу стала бестселлером. Ее тираж составил 10 млн копий, переведена на 40 языков. Позже Хокинг написал еще две книги: «Черные дыры и молодые вселенные» (1993 год) и «Мир в ореховой скорлупке» (2001 год). В 2005 году опубликована «Кратчайшая история времени» – новое издание бестселлера 1988 года.

Хокинг верил в существование внеземной жизни. «Во Вселенной со ста миллиардами галактик, каждая из которых содержит сотни миллионов звезд, маловероятно, что Земля является единственным местом, где развивается жизнь. С чисто математической точки зрения, одни лишь числа позволяют принимать мысль о существовании инопланетной жизни как абсолютно разумную. Реальной проблемой является то, как могут выглядеть инопланетяне, понравятся ли они землянам своим видом. Ведь они могут быть микробами или одноклеточными животными, или червями, которые населяли Землю в течение миллионов лет», – считает Хокинг.

Немецкий популяризатор науки Хуберт Мания в своей книге «Стивен Хокинг» так описывает британского физика: «Почти совершенное воплощение свободного духа, огромного интеллекта, человека, который мужественно преодолевает физическую немощь, отдавая все силы на расшифровку "божественного замысла"».

Сайт газеты «Московский комсомолец» http://www.mk.ru/science/2018/03/14/stiven-khoking-pered-smertyu-predskazal-scenarii-konca-sveta.html сообщает:

«Последние полвека я прожил с перспективой ранней смерти. Я не боюсь смерти, но не тороплюсь умирать, – признавался Хокинг. – Сначала мне надо так много сделать».

Признаки бокового амиотрофического склероза, которые впоследствии привели к параличу, стали проявляться у Стивена Хокинга в начале 1960-х. Когда врачи поставили ему неутешительный диагноз, прогнозы медиков обещали молодому человеку года два с половиной жизни. Но они ошиблись.

Судьба, тем не менее, продолжала наносить удары по Хокингу: в 1985 году он тяжело заболел воспалением легких. После проведенной трахеотомии Хокинг утратил способность говорить – тогда друзья подарили ему синтезатор речи, который был установлен на его инвалидном кресле.

У парализованного ученого подвижность сохранялась лишь в мимической мышце щеки, напротив которой закреплен датчик. С его помощью Хокинг управлял компьютером, позволяющим ему общаться с окружающими.

«Мои ожидания от жизни были сведены к нулю, когда мне был 21 год. Все, что было с тех пор – это бонус», – говорил Стивен Хокинг.

Тяжелая болезнь не мешала парализованному ученому вести активную жизнь. Он не только продолжил научную работу, но дважды женился и стал отцом троих детей! В 2007 году он совершил полет в невесомости над Атлантикой на специально сконструированном самолете. Хокинг мечтал слетать в космос – и такой полет планировался на 2009 год, но ему не суждено было состояться.

Хокинг несколько раз приезжал в СССР по научным делам. Например, в 1973 году он обсуждал проблемы черных дыр с советскими учеными Яковом Зельдовичем и Алексеем Старобинским. В 1981 году Хокинг снова побывал в Москве на международном семинаре по квантовой теории гравитации.

Уже после того, как у Хокинга было диагностировано тяжелое заболевание, Стивен женился в 1965 году на подруге своей сестры Джейн Уайлд. С ней он познакомился, будучи студентом Кембриджа. По словам Хокинга, помолвка с Джейн дала ему тогда «нечто, ради чего стоило жить». У них родились два сына (Роберт и Тимоти) и дочь Люси. Но в отношениях супругов возникла трещина – Джейн полюбила другого.

С 1990 года Стивен и Джейн стали жить раздельно, а потом и развелись официально. В 1995 году Хокинг сочетался браком со своей сиделкой, Элайн Мэйсон: «Это чудесно – я женился на женщине, которую люблю». Правда, в октябре 2006 года они также развелись.

Ученый относился к религии скептически (впрочем, он был скорее агностиком, чем атеистом). Правда, в своей «Краткой истории времени» Хокинг допускал место Всевышнего в создании всего сущего. Но позже ученый пришел к выводу, что Вселенная возникла по объективным физическим законам, и ее появление нельзя связывать с деятельностью высшего разума: «Для того, чтобы поджечь запал и запустить Вселенную, не обязательно нужен Бог».

Рассуждая о рождении Вселенной, Стивен Хокинг не мог не задумываться и о конце света для человечества. Он прогнозировал четыре возможных его сценария: ядерная война, искусственный интеллект (развиваясь, он превзойдет человеческий род), созданные генной инженерией вирусы (случайно или умышленно созданный опасный вирус может оказаться смертельно опасным для всего человечества), глобальное потепление».

***

Что же сделал Хокинг для науки? Он опубликовал много интересных работ – один и в соавторстве с другими выдающимися физиками современности. Исследовал физику черных дыр, ранние стадии эволюции Вселенной, занимался различными проблемами квантовой физики и общей теории относительности, пытался, как до него Альберт Эйнштейн, объединить все физические поля и создать единую теорию поля или, как сейчас говорят: Теорию Всего. Самыми важными работами Хокинга физики считают две: об испарении черных дыр (процесс получил название «излучение Хокинга») и о том, что происходит с информацией, заключенной в телах, падающих в черную дыру.

В шестидесятых годах прошлого века теоретические исследования так называемых коллапсирующих звезд (Джон Уилер назвал их «черными дырами», и это название прижилось) только начинались. Общее мнение физиков было: черные дыры не излучают ничего (ведь скорость убегания для них равна скорости света!), обнаружить эти странные объекты можно только по косвенным признакам – например, по излучению падающего на черную дыру межзвездного газа. Уилер тогда образно заметил: «Черные дыры не имеют волос».

Несколько лет спустя молодой тогда физик Стивен Хокинг сделал замечательное открытие: «волосы» у черных дыр все-таки есть! Черные дыры излучают.

***

О том, что представляет собой излучение Хокинга, интересно рассказывает другой выдающийся физик и популяризатор науки Брайан Грин в книге «Скрытая реальность, параллельные миры и глубинные законы космоса». В Интернете с этим текстом можно ознакомиться на сайте https://www.e-reading.club/chapter.php/1040302/101/Grin_-_Skrytaya_realnost._Parallelnye_miry_i_glubinnye_zakony_kosmosa.html:

«Поскольку квантовая механика не играет никакой роли в общей теории относительности Эйнштейна, решение Шварцшильда для черных дыр основывается исключительно на классической физике. Однако надлежащее рассмотрение вещества и излучения – таких частиц, как фотоны, нейтрино и электроны, которые могут переносить массу, энергию и энтропию из одного места в другое – требует привлечения квантовой механики. Чтобы в полной мере оценить природу черных дыр и разобраться, как они взаимодействуют с веществом и излучением, необходимо продлить решение Шварцшильда в квантовую область. Это нелегко. Несмотря на достижения теории струн (а также других подходов, которых мы не коснулись, таких как петлевая квантовая гравитация, твисторы, теория топосов), мы по-прежнему находимся на начальном уровне в наших попытках совместить квантовую физику и теорию гравитации. А в далеких 1970-х было еще меньше теоретических оснований для понимания того, как квантовая механика может влиять на гравитацию.

Однако были физики, которые работали в этом направлении и которым удалось добиться частичного объединения квантовой механики и общей теории относительности, рассмотрев распространение квантовых полей (квантовая часть) в фиксированной, но искривленной пространственно-временной среде (гравитационная часть). Полное объединение должно, как минимум, содержать рассмотрение не только квантовых флуктуаций полей на пространстве-времени, но также квантовых флуктуаций самого пространства-времени. Простоты ради это усложнение не учитывалось в первых работах. Хокинг воспользовался частичным объединением и рассмотрел, как квантовые поля будут вести себя в очень особой области пространства-времени – в окрестности черной дыры. То, что он обнаружил, поразило физиков до глубины души.

Хорошо известное свойство квантовых полей в обычном, пустом, неискривленном пространстве-времени состоит в том, что из-за квантовых флуктуаций парам частиц, например, электрону и его античастице, позитрону, позволяется мгновенно возникнуть из ничего, немножко пожить, после чего столкнуться друг с другом, и в результате взаимно аннигилировать. Этот процесс, квантовое рождение пары, интенсивно изучался как теоретически, так и экспериментально, и был разобран со всех сторон.

Новой характеристикой квантового рождения пары является то, что если один партнер имеет положительную энергию, то из закона сохранения энергии следует, что другой партнер должен обладать тем же количеством отрицательной энергии – понятие, которое не имеет смысла в классической вселенной. Однако, благодаря принципу неопределенности имеется своеобразная лазейка, позволяющая частицам иметь отрицательную энергию, при условии, что, возникнув, они не сильно долго будут злоупотреблять гостеприимством. Если частица существует лишь мимолетно, то квантовая неопределенность говорит, что никакому эксперименту не хватит времени, даже в принципе, определить знак ее энергии. Именно такова основная причина, почему пара частиц обречена квантовыми законами на быструю аннигиляцию. Поэтому при квантовых флуктуациях пары частиц беспрестанно рождаются и аннигилируют, рождаются и аннигилируют, на фоне неизбежной непрекращающейся игры квантовой неопределенности в пространстве, которое иначе оставалось бы пустым.

Хокинг заново рассмотрел вездесущие квантовые флуктуации, но не в пустом пространстве, а вблизи горизонта событий черной дыры. Он обнаружил, что часто все выглядит как обычно. Пары частиц образуются случайным образом; быстро находят друг друга; после чего аннигилируют. Но время от времени происходит нечто новое. Если частицы образуются достаточно близко к краю черной дыры, то одну из них может затянуть внутрь, а другая улетит в пространство. В отсутствии черной дыры такого никогда не происходит, потому что, если частицы не аннигилируют друг с другом, то частица с отрицательной энергией сможет пробиться сквозь защитную рябь квантовой неопределенности. Хокинг осознал, что столь радикальное закручивание пространства и времени черной дырой может привести к тому, что частицы, обладающие отрицательной энергией с точки зрения наблюдателя снаружи черной дыры, окажутся частицами с положительной энергией для несчастного наблюдателя внутри нее. Таким образом, черная дыра предоставляет частицам с отрицательной энергией надежное убежище, поэтому нужда в квантовой маскировке отпадает. Возникшие частицы могут избежать взаимной аннигиляции и заявить о своей независимой жизни.

Частицы с положительной энергией летят наружу от горизонта событий, поэтому издалека они выглядят как некое излучение, получившее название излучение Хокинга. Частицы с отрицательной энергией поглощаются черной дырой, поэтому их нельзя непосредственно наблюдать, однако их можно обнаружить косвенным способом. Подобно тому как масса черной дыры растет при поглощении всего, что обладает положительной энергией, она также уменьшается при поглощении всего, что имеет отрицательную энергию. Эти два процесса в совокупности делают черную дыру похожей на кусок горящего угля: черная дыра беспрестанно излучает направленный наружу поток излучения по мере того как ее масса уменьшается. То есть, если добавить квантовую механику, то черные дыры перестают быть абсолютно черными. Открытие Хокинга было как гром среди ясного неба.

Однако это вовсе не означает, что типичная черная дыра нагрета до красного свечения. По мере того как поток частицы летит от черной дыры, он должен преодолевать невероятное сопротивление со стороны ее гравитационного притяжения. На это частицы тратят свою энергию и поэтому значительно остывают. Хокинг вычислил, что наблюдатель, находящийся достаточно далеко от черной дыры, обнаружит, что температура остаточного «утомленного» излучения обратно пропорциональна массе черной дыры. Огромная черная дыра, подобная находящейся в центре нашей Галактики, имеет температуру менее триллионной доли градуса выше абсолютного нуля. Черная дыра с массой Солнца будет иметь температуру меньше чем миллионная доля градуса, даже меньше, чем температура в 2,7 градуса реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва. Чтобы температура черной дыры была достаточно высока, чтобы приготовить барбекю для всей семьи, ее масса должна быть примерно в десять тысяч раз больше массы Земли, а это экстраординарно малая величина в космических масштабах.

Однако само значение температуры черной дыры не столь важно. Хотя излучение, идущее от удаленных астрофизических черных дыр, не сможет осветить ночное небо, тот факт, что они действительно имеют температуру, что они действительно излучают, означает, что эксперты поспешили отбросить гипотезу Бекенштейна о том, что черные дыры действительно обладают энтропией. Хокинг великолепно справился с этой задачей. Его теоретические вычисления, определяющие температуру данной черной дыры и испускаемого ею излучения, дали все необходимые данные для определения количества энтропии, которую, согласно стандартным законам термодинамики, должна иметь черная дыра. Полученный ответ оказался пропорционален площади поверхности черной дыры, как и предполагал Бекенштейн.

Итак, к концу 1974 года Второй закон вновь стал законом. Открытия Бекенштейна и Хокинга выявили, что в любой ситуации полная энтропия возрастает, если при этом учитывать не только энтропию обычного вещества и излучения, но также и находящуюся внутри черных дыр и определяемую площадью их полной поверхности. Вместо того чтобы быть стоком для энтропии и приводить к нарушению Второго закона, черные дыры играют активную роль в исполнении этого закона во вселенной с постоянно увеличивающимся беспорядком.

Это заключение вызвало долгожданное облегчение. Для многих физиков Второй закон, основанный на, казалось бы, неоспоримых статистических рассуждениях, стал священным как практически никакой другой в науке. Его воскрешение означало, что с этим миром опять все в порядке. Но со временем появилась небольшая, но первостепенно важная запись в бухгалтерской книге энтропии, которая показала, что вопрос о справедливости Второго закона не является самым приоритетным. Эта честь досталась задаче о месте хранения энтропии, задаче, важность которой станет очевидной, когда мы выявим глубокую связь между энтропией и центральной темой этой главы – информацией».

***

О другом интересном и пока не разгаданном явлении, открытом Хокингом и связанным с черными дырами, пишет на сайте «Элементы» научный журналист Игорь Иванов http://elementy.ru/novosti_nauki/430149/Informatsionnyy_paradoks_chernykh_dyr_slegka_rasputan:

«Квантовая информация обладает поразительным свойством: она может физически присутствовать в нашем мире, но быть совершенно недоступной для “считывания”. Это свойство отчасти разрешает информационный парадокс черных дыр.

Многие “парадоксы”, с которыми иногда приходится сталкиваться в жизни, являются на самом деле не настоящими логическими противоречиями, а лишь результатом неправильного использования терминов и понятий там, где их применять нельзя. Преподаватели знают, что очень полезно ставить перед студентом такого рода “парадоксы” для углубления понимания дисциплины.

На удочку, похоже, попались сами ученые. Как утверждают Ли Смолин и Дж. Оппенгейм, знаменитый клубок парадоксов, связанных с (не)исчезновением информации в черной дыре, возникает, по крайней мере, отчасти из-за неправильного использования понятия информации в квантовой теории.

Напомним вкратце суть проблемы.

Квантовая механика прекрасно описывает мир микрочастиц, в котором гравитация столь слаба, что ею обычно пренебрегают. Общая теория относительности, наоборот, описывает гравитационные явления в астрономических масштабах, там, где квантовые эффекты не важны. Обе эти теории безупречно выполняются в своих областях применимости и не мешают друг другу.

По-настоящему столкнулись эти две теории в 1975 году, когда Стивен Хокинг открыл, что черные дыры обязаны “испаряться”: фотон за фотоном излучать свою энергию в окружающее пространство, сами при этом постепенно уменьшаясь. Тут-то и оказалось, что свойства этого процесса, вычисленные по теории относительности, противоречат основным постулатам квантовой теории. Получается, либо общая теория относительности, либо квантовая механика в этом конкретном процессе перестанут работать, но кто именно – пока неизвестно (впрочем, сам Стивен Хокинг уже пришел к определенной точке зрения).

Физики эту дилемму обычно формулируют в виде информационного парадокса. При теоретическом описании любого тела физики оперируют характеризующей его информацией: количеством молекул, их движением, их взаимным расположением и т.п. И при падении тела в черную дыру эта информация поглощается вместе с телом.

Если приближение, использованное Хокингом в вычислениях, справедливо, то черная дыра будет служить универсальным уничтожителем информации. Не важно, что и в каком состоянии в нее упадет: в результате испарения будет всегда один и тот же беспорядочный набор фотонов. Первоначальная информация, заключенная в теле, исчезает из нашего мира напрочь, и это противоречит одному из главных постулатов квантовой механики.

Если же вычисления Хокинга неточны, а квантовая механика, наоборот, применима и в этом случае, то вылетающие фотоны будут содержать в себе информацию об упавшем в черную дыру теле, и ее, теоретически, можно восстановить, полностью или частично (хоть с практической точки зрения это нереально). Остается, однако, непонятным, почему в этом случае не срабатывает теория относительности.

Были, конечно, и попытки примирить эти две теории. Например, можно предположить, что информация не исчезает, а лишь накапливается внутри черной дыры, оставаясь недоступной внешнему миру. И лишь в последний момент, когда испарятся последние остатки микроскопической черной дыры (для которой расчеты Хокинга заведомо неприменимы), вся информация и выйдет наружу. Впрочем, скептики сразу же возразили: микроскопическая черная дыра слишком мала, чтобы удержать столько информации, а значит, это предложение не проходит.

И вот тут-то интуиция и подвела физиков. На самом деле, как подчеркивается в статье, из того факта, что информация пока что не вышла из черной дыры, вовсе не следует, что она все еще внутри!

Авторы напоминают, что свойства квантовой информации отличаются от свойств обычной, классической информации. Квантовая информация не обязана быть локализована где-то в пространстве и, как недавно было обнаружено, ее часто нельзя разделить на части. Иными словами, если взять “квантовую книгу” и разделить ее на две части, то может оказаться, что ни одна из половинок не даст нам вообще никакой информации.

В случае черных дыр возможна даже такая ситуация: материальные носители, фотоны, в процессе утечки информации наружу нам доступны, мы знаем, что они как-то кодируют в себе эту информацию, но расшифровать ее нельзя даже в принципе. Грубо говоря, невозможно определить, что именно у фотонов надо измерить, чтобы извлечь эту информацию.

Получается, что весь огромный объем информации вовсе не обязан прятаться внутри черной дыры; он может присутствовать во внешнем мире, но быть столь «намертво» зашифрованным, что окажется недоступным ни для какого наблюдения. Для того, чтоб получить доступ к этой “летописи”, надо дождаться самых последних битов этого потока информации (а их микроскопическая черная дыра удержать вполне может), которые и послужат ключом к полной расшифровке.

Авторы подчеркивают, что они вовсе не предъявляют полное решение информационного парадокса черных дыр: оно будет получено лишь после создания более или менее цельной теории квантовой гравитации. Однако они доказывают, что, по крайней мере, некоторые грани этой проблемы есть лишь следствие неправильных аналогий и к исходному вопросу имеют мало отношения».

***

Стивен Хокинг известен не только своими открытиями в физике и научно-популярными книгами. Он размышлял о многом, и многие его высказывания многократно цитируются в Интернете, например, на сайтах:

http://www.scientific.ru/journal/hawking_penrose/hp.html

http://www.bbc.com/russian/features-43397907

Читайте – так говорил Хокинг:

О черных дырах: «Эйнштейн был неправ, когда сказал: “Бог не играет в кости”. Изучение черных дыр показывает, что Бог не только играет в кости, но и иногда обманывает нас, бросая их туда, где мы не можем их видеть».

О Вселенной: «Мы всего лишь развитые потомки обезьян на маленькой планете с ничем не примечательной звездой. Но у нас есть шансы постичь Вселенную. Это и делает нас особенными».

О причинах существования Вселенной: «Если будет найден ответ на этот вопрос, это будет полным триумфом человеческого разума, ибо тогда нам станет понятен замысел Бога».

О несовершенном мире: «Одним из основных правил Вселенной является то, что нет ничего совершенного. Совершенства просто не существует... Без несовершенства ни вы, ни я не существовали бы».

О судьбе: «Я заметил, что даже те люди, которые говорят, что все предопределено и ничего нельзя изменить, смотрят по сторонам, когда переходят дорогу».

О людях: «Тихие люди обладают самыми громкими умами».

О смерти: «Я живу с прогнозом ранней смерти последние 49 лет. Я не боюсь смерти, но и не тороплюсь умирать: я еще хочу многого добиться».

О своем вкладе в науку: «Жить, занимаясь исследованиями по теоретической физике, – это было чудесно. Я счастлив, если мне удалось что-то добавить к нашему пониманию Вселенной».

Шимон ДАВИДЕНКО
ВНЕЗЕМНЫЕ ЦИВИЛИЗАЦИИ И МУРАВЬИ

Часто приходится слышать, что Интернет – большая помойная яма, куда сваливают любую информацию, чаще недостоверную, чем правильную. В большинстве случаев речь идет об информации, спорах и недоразумениях политического толка, о бытовых проблемах, вообще не поддающихся определению, что правильно, что неверно и в чем заключается истина. Несколько иная ситуация в научном и научно-популярном сегментах всемирной паутины. Здесь меньше научного вздора, хотя и тут, конечно, довольно трудно (особенно неискушенному пользователю) разобраться, на каких сайтах, в каких интернет-изданиях можно найти верную информацию о последних достижениях науки и техники. На страницах «Млечного Пути» уже шла речь о таких достойных упоминания научно-популярных изданиях, как, например, российские сайты «Элементы» и «Детали мира». Сегодня я представляю читателям научно-популярный портал «Популярная механика» – официальный сайт одноименного бумажного издания.

https://www.popmech.ru/

Здесь всегда можно найти новости науки и техники, изложенные достаточно простым, понятным, но, в то же время, и вполне точным языком. Есть в «Популярной механике» и большие материалы о научных и технических проблемах – с историей вопроса, разбором разных точек зрения, с изложением мнений известных ученых. Если журнал публикует переводы, дайджесты или изложения материалов, опубликованных на других порталах и сайтах, то всегда можно найти ссылки на первоисточники.

Вот два примера: статья журналиста Алексея Левина о проекте SETI – поиске внеземных цивилизаций – и новостной материал «из жизни муравьев».

Алексей Левин

Чем занимается проект SЕТI

https://www.popmech.ru/science/10864-b-poiskakh-bratev-po-razumu-inoplanetyane/

18 апреля 1960 года журнал Time оповестил читателей, что молодой сотрудник Национальной радиоастрономической обсерватории Фрэнк Дрейк впервые в истории пытается установить односторонний контакт с носителями внеземного разума. В качестве таковых он избрал гипотетических обитателей столь же гипотетических планетных систем звезд Тау Кита и Эпсилон Эридана, расположенных в 12 и 10,5 световых годах от Солнца. Дрейк прослушивал (в буквальном смысле – с помощью динамика) радиоволны, записанные в узкой полосе частот вблизи 1,420 ГГц 85-футовым радиотелескопом, направленным на эти светила. За исключением единственной ложной тревоги из-за радиопомех от земного военного источника, Дрейк в течение четырех месяцев слышал исключительно статические шумы. В августе он пришел к выводу о бессмысленности дальнейших попыток и переключился на изучение (на том же оборудовании) магнитного расщепления спектральных линий космического водорода, известного как эффект Зеемана. Так закончился проект «Озма», названный по имени принцессы страны Оз из замечательной сказки Фрэнка Баума. И начался SETI (Search for Extraterresrial Intelligence).

Дрейк начал готовить свой эксперимент ранней весной 1959 года. Частоту приема 1,420 ГГц он выбрал не случайно – на ней излучает рассеянный между галактиками атомарный водород, самый распространенный во Вселенной элемент. Радиоволны с такой частотой рождаются при переходе невозбужденного (то есть находящегося на нижнем орбитальном уровне) электрона из состояния, когда его спин параллелен ядерному спину, в состояние с меньшей энергией, когда спины противоположны. При этом излучается фотон с энергией 5,9х эВ, которая соответствует избранной Дрейком частоте (или длине волны 21,1 см). Не надеясь получить денег на одно лишь прослушивание межзвездных сигналов, Дрейк дополнительно обосновал свой проект исследованием зеемановского эффекта. Интересно, что уникальный ресивер Дрейка обошелся всего в $2000, поскольку электронная фирма Microwave Associates бесплатно предоставила ему новейший параметрический усилитель, в то время один из лучших в мире.

На 1959 год приходится еще одно родоначальное событие истории SETI. В сентябре профессора Корнеллского университета Джузеппе Коккони и Филип Моррисон опубликовали в Nature короткую заметку, где предложили такую же стратегию космических коммуникаций, как и Дрейк. Они тоже сочли весьма вероятным, что внеземные цивилизации выходят на связь на волне 21,1 см и поэтому рекомендовали искать братьев по разуму в полосе 1,420 ГГц ±300 КГц, охватывающей доплеровские сдвиги частоты, обусловленные движением источников сигналов относительно Земли со скоростями не более 100 км/с. Эта заметка стала первой научной публикацией, посвященной проблеме SETI.

Через полтора года в Nature появилась еще одна программная статья о космических коммуникациях, подписанная Робертом Шварцем и Чарльзом Таунсом, будущим нобелевским лауреатом. Авторы первыми предложили использовать «оптические мазеры» (иначе говоря, лазеры – этот термин еще не был общепринятым). К этой работе восходит стратегия поисков космических сигналов, переносимых короткими вспышками инфракрасного или же видимого света, которую сейчас называют OSETI (Optical SETI). В том же 1961 году в Национальной радиоастрономической обсерватории состоялась первая конференция по контактам c внеземными цивилизациями. Дрейк представил там свою знаменитую формулу оценки количества потенциальных космических контактов в нашей Галактике.

Как поступит технологически продвинутая цивилизация, чтобы снизить стоимость общения с космическими соседями? Ведь непрерывная трансляция сигналов на одной или нескольких узких полосах радиочастот – дело очень дорогое и не слишком перспективное. Поэтому традиционный поиск сообщений на волне излучения межгалактического водорода и даже в целом водном окне вряд ли будет успешным. Гораздо выгодней посылать короткие сигналы в широком диапазоне частот порядка 10 гигагерц. Такие частоты можно генерировать с помощью нелинейных передатчиков с компактными антеннами, которые неизмеримо дешевле линейных систем для узкополосного вещания. Да и шансы быть услышанными в этом случае больше, поскольку частоты наиболее сильных внутригалактических радиошумов много ниже.

«Эти соображения и лежат в основе нашей идеи космических радиомаяков, отправляющих сигналы за тысячи световых лет, – говорит профессор астрофизики Калифорнийского университета в Ирвайне (а по совместительству известный писатель-фантаст) Грегори Бенфорд, разработавший эту концепцию вместе со своим братом-близнецом Джеймсом, радиофизиком, и племянником Домиником, сотрудником NASA. – Допустим, что такие маяки существуют и их можно поймать земными приборами. Встает вопрос, как их искать и как отличить такие сигналы от радиовсплесков, обусловленных природными процессами. Для этого необходим постоянный мониторинг и северного, и южного небосвода, а также спектральный анализ каждого подозрительного радиовсплеска. Это слишком экзотическая задача для профессиональных радиотелескопов, работающих в рамках астрономических и астрофизических исследовательских программ. Однако в мире уже есть сотни любительских радиотелескопов, и их количество быстро растет. Любую из этих установок можно оснастить электроникой для анализа нестандартных радиоимпульсов. А если любительские радиотелескопы объединить во всемирную сеть для поиска радиомаяков, что-нибудь путное может и получиться. В конце концов, именно астрономы-любители открыли большинство новых комет и переменных звезд. Так почему бы владельцам частных радиотелескопов не последовать их примеру?»

Проект «Озма» долго был единственным практическим предприятием по установлению космической связи. Лишь в 1973 году сотрудники обсерватории Университета штата Огайо приступили к аналогичному прослушиванию космоса на частоте 1,420 ГГц с помощью гигантского стационарного радиотескопа Big Ear. Исследования, продолжавшиеся до 1995 года, открытий не принесли, хотя однажды породили сенсацию. 15 августа 1977 года телескоп зарегистрировал краткий (всего 72 с), но мощный радиовсплеск вроде бы космического происхождения. Астроном Джерри Эман, через несколько дней заметивший его на компьютерной распечатке, в восторге написал на полях: «Wow!» Это событие фигурирует в истории SETI как Wow! signal. Оно оказалось единственным в своем роде, а его природа до сих пор вызывает споры – энтузиасты считают его делом рук внеземной цивилизации.

В начале 1970-х космическими контактами заинтересовалось NASA. Был разработан проект «Циклоп», предусматривающий создание интегрированной сети из 1000−1500 небольших радиотелескопов для охоты за космическими сигналами, отправленными с расстояний менее 1000 световых лет от Земли. Программа осталась на бумаге, но способствовала консолидации специалистов, заинтересованных этой проблемой. Инициаторы проекта отметили, что помимо водородной частоты 1,420 ГГц имеется еще одна маркированная частота – 1,662 ГГц, соответствующая излучению рассеянных в космосе гидроксилов OH. К тому же они рекомендовали не ограничиваться поиском лишь на этих частотах или в ограниченном ими участке радиоспектра (так называемой водной дыре – water hole), а для надежности производить его в диапазоне от 1 до 3 ГГц.

Нетрудно понять, что радиофон Земли сам по себе служит свидетельством наличия цивилизации, достигшей определенного уровня технического развития. К такому выводу наверняка придут разумные обитатели далеких экзопланет, если зарегистрируют радиоизлучение Земли. Точно так же и человечество может обнаружить иные цивилизации. По мнению профессора астрономии Гарвардского университета Ави Леба, для решения проблемы SETI совсем не обязательно выискивать направленные космические послания, достаточно просто сканировать небосвод на предмет техногенного радиошума: «Три года назад мы с космологом Матиасом Залдарриагой оценили предел дальности подобной регистрации, взяв за основу параметры земного радиооборудования. Мы посмотрели, на каких дистанциях принимаются сигналы радаров американской системы противоракетной обороны, которые способны генерировать изотропное излучение общей мощностью в 2 миллиарда ватт (в режиме направленных импульсных пучков эта мощность на два порядка больше). И оказалось, что приемная система с возможностями европейской сети низкочастотных радиотелескопов LOFAR может регистрировать такие радарные станции в радиусе 50 − 100 световых лет. В этой области космоса находятся тысячи и тысячи звезд, некоторые из них могут обладать землеподобными планетами.

Однако возникает вопрос, какова вероятность найти таким способом братьев по разуму. Точного ответа мы не знаем, но кое-что можно смоделировать. Британские астрономы Форган и Ничол, чья работа опубликована в июле этого года, обратили внимание, что человечество постепенно переходит на кабельные коммуникации, которые не вносят вклада в планетарный радиошум, и рассудили, что сверхмощные военные радары тоже когда-нибудь исчезнут. По их оценкам, вероятность случайно обнаружить цивилизации в радиусе 100 парсек от Земли, если каждая из них шумит в эфире не дольше сотни лет, увы, очень мала – не больше стотысячной доли процента.

Мы еще не обнаружили радиошумов даже сравнительно близких цивилизаций, однако сей факт можно интерпретировать множеством самых разных способов. Подлинных причин радиомолчания экзопланет с разумной жизнью мы не знаем».

Еще пару десятков лет NASA мелкими шажочками двигалось к поиску межзвездных сигналов, на что истратило около $50 млн. В начальной фазе подготовки, где-то в 1976 году, появилось и название SETI. До этого энтузиасты ловли космических посланий пользовались более претенциозной версией – CETI, Communications with Extraterrestrial Intelligence. Поскольку обещать подобные коммуникации было рискованно, их заменили на поиск.

И все же эти усилия закончились пшиком – по причинам политического свойства. Первым на SETI ополчился влиятельный сенатор Уильям Проксмайр, зацикленный на борьбе с разбазариванием народных средств на якобы нелепые научные проекты. В начале 1980-х он зарезал ассигнования на SETI и согласился вернуть их лишь по ходатайству знаменитого астронома Карла Сагана. На несколько лет SETI оставили в покое, но следующей осенью сенатор-новичок Ричард Брайан решил сэкономить налогоплательщикам 12 млн, предназначенных на эти цели, и добился своего. Интересно, что это оказалось его единственным достижением за два срока пребывания в Сенате США.

«Многие считают, что наш институт занят исключительно охотой за космическими посланиями, – говорит главный астроном института SETI Сет Шостак. – Однако абсолютное большинство наших сотрудников, а их сейчас без малого полтораста, занимаются астробиологией. В проектах, которые подходят под аббревиатуру SETI, задействовано примерно десять человек. Сам я занимаюсь звездами, с которых можно наблюдать прохождение Земли по диску Солнца. Если у них есть планеты с разумной жизнью, то их обитатели могут синхронизировать именно с этими событиями свои передачи в направлении нашей планеты. Поэтому имеет смысл поворачивать приемные антенны в направлении этих звезд именно тогда, когда Земля оказывается между ними и Солнцем.

Сейчас мы не занимаемся поиском оптических межзвездных сигналов, однако в недавнем прошлом подобные работы вели на 40-дюймовом рефлекторе Ликской обсерватории. Это очень перспективное направление, и мы надеемся к нему вернуться, когда будет возобновлено финансирование».

В настоящее время поиск оптических сигналов производится на 72-дюймовом телескопе Ок-Риджской обсерватории Гарвардского университета и на 30-дюймовом телескопе обсерватории имени Лейшнера в Беркли. Он ориентирован на мониторинг ярких вспышек длительностью не более наносекунды. Астрономам не известен ни единый природный процесс, способный породить столь короткие световые импульсы, распространяющиеся на сотни световых лет. Поэтому можно предположить, что они генерируются мощнейшим лазером, луч которого сфокусирован в направлении Солнечной системы с помощью крупного телескопа.

Несмотря на прекращение государственных субсидий, американские ученые не забывали об отслеживании внеземных цивилизаций. В Калифорнии появился частный институт, который до сих пор остается центром подобных поисков. SETI Institute был учрежден 20 ноября 1984 года для исследований в области астробиологии и поиска сигналов от внеземных цивилизаций. Осенью 2007 года совместно с Калифорнийским университетом в Беркли институт запустил обсерваторию, предназначенную для отлова межзвездных радиосигналов и для радиоастрономических наблюдений. Деньги, $30 млн, выделил один из основателей корпорации Microsoft Пол Аллен, поэтому обсерватория названа Allen Telescope Array. Сейчас она состоит из 42 шестиметровых радиотелескопов, настроенных на прием сигналов в диапазоне 0,5 − 11 ГГц.

«Мы анализируем радиоизлучение почти тысячи звезд, расположенных в радиусе 200 световых лет от Солнца. В перспективе надеемся увеличить количество приемных антенн до 350, но на это пока нет средств. Если наши планы осуществятся, то уже в следующем десятилетии мы сможем просканировать несколько миллионов звезд, – рассказывает «ПМ» Джилл Тартер, руководитель группы мониторинга космических сигналов. – Нередко спрашивают, почему до сих пор мы не нашли братьев по разуму. Не следует забывать, что поиск космических цивилизаций начался всего 50 лет назад, и пока лишь весьма приблизительно обследована ничтожная доля нашей Галактики. Если зачерпнуть стакан воды из океана и не обнаружить в нем ни единой рыбки, не стоит думать, что их там вообще нет. Так и с поиском космических цивилизаций».

Отправлять в космос собственные сообщения Джил Тартер считает преждевременным: «Наша цивилизация всего 500 лет назад вступила на путь глобального технологического прогресса и мало что может предложить Галактике, существующей уже 10 млрд лет. Так что надо ждать и взрослеть. Частый вопрос – нужно ли опасаться космических захватчиков? Я думаю, это безосновательные страхи. Межзвездные путешествия требуют технологий, которые могут обрести лишь зрелые и потому стабильные цивилизации. Трудно представить, чтоб они ринулись в далекий космос за рабами, сокровищами или природными ресурсами».

К мониторингу космических сигналов может приложить руку каждый владелец персонального компьютера. Для этого нужно всего лишь подключиться к проекту SETI@home, который возник по инициативе астрономов и компьютерщиков из Калифорнийского университета в Беркли в мае 1999 года. Целью проекта была попытка привлечь пользователей персональных компьютеров к поиску следов межзвездных сигналов в потоке сырых радиотелескопических данных. За первый год к программе подключилось более 2 млн человек, а сейчас общее число участников превышает 6 млн. Каждый желающий может скачать программный пакет BOINС, Berkeley Open Infrastructure for Network Computing, обеспечивающий связь персонального компьютера с сервером проекта. При этом владелец сам решает, как его компьютер будет принимать участие в распределенных вычислениях – в определенные часы, по предварительному разрешению или каким-то иным образом.

«В последние годы возможности проекта SETI@home расширились. Мы получаем данные с нового высокочувствительного приемника радиотелескопа обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико, который в 30 раз увеличил число доступных наблюдению звезд, – объясняет астроном Эрик Корпела. – После оцифровки и архивирования информация становится доступной для обработки. Нас интересует полоса шириной 2,5 МГц, покрывающая частоту излучения космического атомарного водорода 1,420 ГГц. Эту полосу делят на 256 фрагментов по 9766 Гц, которые и обрабатывают компьютеры участников. Во время каждого сеанса связи мы посылаем около 250 кб исходных данных плюс 100 кб вспомогательной информации. Компьютер-получатель анализирует это задание и пересылает результаты его выполнения на наш сервер. 10 лет назад среднее время обработки одного задания составляло неделю, сегодня не превышает двух часов».

Пока еще ученые ничего не нашли, но что будет, если удастся обнаружить сигнал от братьев по разуму? По словам Эрика, дальнейшие действия предусмотрены специальным международным протоколом, регулирующим действия организаций и частных лиц в такой ситуации: «В частности, они должны немедленно поделиться информацией со специалистами, занятыми поиском внеземных цивилизаций, чтобы провести экспертную оценку полученных результатов. Необходимо также еще до информирования собственного правительства уведомить о случившемся Генерального секретаря ООН. Я надеюсь, что когда-нибудь мы воспользуемся этими правилами».

***

Ученые открыли необычную функцию неактивных муравьев. Оказывается, они служат «резервной рабочей силой»: готовы заменить активных рабочих особей в случае необходимости.

Если вы до сих пор думали, что все муравьи – труженики, вы, вероятно, будете сильно удивлены, узнав, что большое число «рабочих» муравьиной колонии проводит подавляющую часть времени за… ничегонеделанием. Это стало известно еще в 2015 году – благодаря работе, подготовленной учеными из Аризонского университета (США).

Специалисты из Аризонского и Оксфордского университетов провели новое исследование. Чтобы понять, как разделены функции в колонии муравьев, они пометили отдельных особей цветными точками (одна – на голове, другая – на груди, и две – на абдомене, или брюшке). Ученые записывали насекомых на видео и затем – благодаря меткам – могли их отличить. Результаты показали, что муравьи колонии могут относиться к четырем группам: неактивные, «ленивые» особи; особи, что проводят большую часть времени, «прогуливаясь» вокруг муравейника; «добытчики», выполняющие задания за пределами муравьиного гнезда (например, ищут пищу или же строят защитные стены из крошечных камней); «няньки», вскармливающие потомство.

Исследователи заметили, что абдомен у неактивных муравьев более крупный: это навело авторов на мысль, что такие насекомые могут хранить в нем пищу для других особей. Однако это предположение должно быть еще проверено, так как необходимо понять, что является следствием, а что – причиной (возможно, более крупный абдомен – следствие их «ленивого» образа жизни, а не причина).

В результате исследования ученые впервые показали, что неактивные муравьи могут быть резервной рабочей силой. Специалисты удалили 20 процентов наиболее активных муравьев-рабочих и увидели, что в течение недели их заменили в основном насекомые, относившиеся ранее к «лентяям» (их активность повысилась и стала соответствовать уровню прежних «работников»). Авторы исследования отмечают, что такая функция неактивных участников муравьиной колонии предполагалась и ранее, однако гипотеза не была проверена эмпирически.

В следующем эксперименте ученые удалили 20 процентов неактивных муравьев – и увидели, что «ленивые» насекомые не были заменены (в отличие от первого случая с самыми активными особями).

По предположению Даниэля Шарбонно (Daniel Charbonneau), соавтора работы, группа «ленивых» муравьев складывается из молодых рабочих особей, которые пока являются наиболее слабыми в колонии, и потому для них правильней не проявлять большой активности. Ученый добавляет, что такие насекомые при этом продуцируют яйца и могут, занимаясь этим, также хранить пищу. Когда же колония теряет рабочих особей, их способны заменить ничем не занятые «ленивые» муравьи, предполагает Шарбонно.

Начало формы

Конец формы