13. Высокоразвитые цивилизации

Книга: Будущее человечества. Колонизация Марса, путешествия к звездам и обретение бессмертия

Заголовки таблоидов кричали:

«В космосе обнаружено гигантское инопланетное мегасооружение!»

«Инопланетная машина в космосе ставит астрономов в тупик!»

Даже газета The Washington Post, которая обычно не печатает сенсационные истории про НЛО и пришельцев, выдала заголовок: «Самая необычная звезда в небе вновь активизировалась».

На астрономов, которые обычно копаются в скучных массивах данных, полученных со спутников и радиотелескопов, внезапно обрушился шквал звонков от встревоженных журналистов, спрашивавших, правда ли, что им наконец удалось обнаружить в космосе сооружение инопланетян.

Ученые были захвачены врасплох. У астрономического сообщества просто не было слов. Да, в космосе было обнаружено нечто странное. Да, это странное не поддается объяснениям, но пока рано говорить о том, что это значит. Все это может оказаться просто химерой.

Вопросы возникли, когда астрономы занимались поисками экзопланет, затмевающих далекие звезды. Как правило, гигантская экзопланета размером с Юпитер, проходя перед диском своей звезды, ослабляет ее блеск на 1 % или около того. Но однажды при анализе переданных космическим аппаратом «Кеплер» данных о звезде KIC 8462852, расположенной в 1400 световых годах от Земли, обнаружилась поразительная аномалия: в 2011 г. нечто неизвестное ослабило блеск этой звезды ни много ни мало на 15 %. Обычно подобные аномалии просто отбрасывают при анализе. Может быть, что-то случилось с инструментами, скажем, по сети питания прошел импульс, а может, всему виной пыль на зеркалах телескопа?

Но в 2013 г. ситуация повторилась: на этот раз блеск звезды ослаб на 22 %. Ничто из известного науке не способно регулярно ослаблять свет одной и той же звезды на такую величину.

«Мы никогда не видели ничего похожего. Это действительно очень странно», — как сказала Табета Бояджян, исследователь из Йельского университета.

Ситуация стала выглядеть еще более невероятной, когда Брэдли Шефер из Университета штата Луизиана, изучив старые фотопластинки, обнаружил, что блеск этой звезды ослабевал периодически начиная с 1890 г. Журнал Astronomy Now написал, что это «вызвало настоящий ажиотаж: каждый астроном пытался разобраться в проблеме, которая у нас на глазах становилась одной из величайших загадок в астрономии».

Астрономы составили длинные списки возможных объяснений. Но мало-помалу стандартные научные объяснения подвергались сомнению и отбрасывались.

Что в принципе могло бы вызвать такое сильное ослабление блеска? Мог ли это быть объект в 22 раза крупнее Юпитера? Или произошло поглощение планеты звездой? Это объяснение пришлось исключить, поскольку явление регулярно повторялось. А может быть, причиной стала пыль из газопылевого диска звездной системы? При формировании в космосе звездной системы диск из газа и пыли может быть во много раз больше самой звезды. Может быть, ослабление блеска связано с прохождением такого диска перед звездой? Но и это объяснение тоже исключили, когда выяснилось, что звезда не была молодой. Пыль должна была давно сконденсироваться, или звездный ветер унес бы ее в пространство.

После того как множество возможных решений было отвергнуто, осталась версия, которую невозможно было просто отбросить. Никто не хотел в это верить, но и исключить это было нельзя: а вдруг это колоссальное мегасооружение, построенное инопланетной цивилизацией?

«Вмешательство инопланетян всегда должно быть последней из рассматриваемых гипотез, но это было похоже на нечто, что впору было построить инопланетной цивилизации», — сказал Джейсон Райт, астроном из Университета штата Пенсильвания.

Поскольку между снижениями блеска в 2011 и 2013 гг. прошло 750 суток, астрономы предположили, что в мае 2017 г. блеск должен снизиться вновь. Строго по расписанию звезда начала тускнеть. На этот раз на нее были направлены практически все телескопы Земли, способные измерять блеск. Астрономы с волнением следили за тем, как блеск звезды снизился на 3 %, а затем вернулся к прежнему уровню.

Что это было? Некоторые считали, что это может быть сфера Дайсона, которую описал в 1937 г. в романе «Создатель звезд» Олаф Стэплдон, а позже проанализировал физик Фримен Дайсон. Сфера Дайсона — это гигантская сфера вокруг светила, построенная для сбора энергии его мощного излучения. Также это мог быть громадный шар, обращающийся вокруг звезды и периодически проходящий перед ней, заслоняя частично ее свет. Или нечто, созданное для обеспечения энергией машин высокоразвитой цивилизации II типа. Последнее предположение разбудило воображение публики и журналистов. Все задались вопросом: что такое цивилизация II типа?

Шкала развития цивилизаций по Кардашёву

Такую классификацию развитых цивилизаций предложил в 1964 г. русский астроном Николай Кардашёв. Ему не нравилось заниматься поисками инопланетных цивилизаций, не имея понятия о том, что именно он ищет. Ученые любят проводить количественную оценку неизвестных величин, и Кардашёв предложил шкалу, в которой цивилизации оценивались по уровню потребления энергии. Действительно, цивилизации могут различаться культурой, политикой и историей, но всем им необходима энергия. Шкала Кардашёва выглядела так:

1. Цивилизация I типа использует всю энергию излучения своей звезды, которая падает на планету.

2. Цивилизация II типа использует всю энергию, вырабатываемую центральным светилом.

3. Цивилизация III типа использует энергию всей галактики.

Таким способом Кардашёв дал удобный и простой метод ранжирования возможных цивилизаций в пределах Галактики на основании уровня потребления энергии.

Каждая цивилизация, в свою очередь, имеет уровень потребления энергии, который можно рассчитать. Несложно выяснить, сколько солнечной энергии приходится на квадратный метр поверхности Земли. Умножив эту величину на площадь поверхности, освещенной Солнцем, сразу же получаем приблизительное количество энергии, которым располагает средняя цивилизация I типа. (Выясняется, что цивилизация I типа имеет в своем распоряжении 7×10↑¹⁷ Вт, что примерно в 100 000 раз больше того количества энергии, которое вырабатывается на Земле сегодня.)

Поскольку нам известно, какая доля солнечной энергии попадает на Землю, мы можем рассчитать, сколько всего энергии вырабатывает наше Солнце (около 4×10↑²⁶ Вт). Приблизительно столько энергии использует цивилизация II типа.

Нам также известно, сколько звезд входит в галактику Млечный Путь, так что мы можем умножить нашу оценку на это число и получить энергетический выход всей Галактики, что позволяет нам оценить энергопотребление цивилизации III типа в нашей Галактике. Оно составляет примерно 4×10↑³⁷ Вт.

Результаты получились интригующие. Кардашёв выяснил, что каждый тип цивилизаций превосходит предыдущий по энерговооруженности в 10–100 млрд раз.

На основании этих данных можно математически вычислить, когда наша цивилизация сможет перейти на следующий уровень. С учетом полного энергопотребления Земли мы в настоящее время представляем собой цивилизацию 0,7 типа.

Принимая ежегодный рост энерговооруженности на 2–3 %, что примерно соответствует текущей средней скорости роста ВВП планеты, можно сделать вывод, что нас отделяет от статуса цивилизации I типа 100–200 лет. Согласно этому же расчету, для перехода на уровень цивилизации II типа потребуется несколько тысяч лет. Момент, когда мы сможем стать цивилизацией III типа, рассчитать сложнее, поскольку для этого необходимо иметь возможность межзвездных путешествий, а их предсказать трудно. По одной из оценок, мы, вероятно, не станем цивилизацией III типа еще по крайней мере 100 000, а может, и 1 млн лет.

Переход от цивилизации типа 0 к цивилизации типа I

Самым трудным из всех переходов, наверное, является переход от цивилизации типа 0 к типу I, который мы, по существу, совершаем в настоящее время. Дело в том, что цивилизация типа 0 — самая нецивилизованная в технологическом и социальном отношении. Она лишь недавно вылезла из болота сектантства, диктатуры, религиозных споров и т. п. Она до сих пор несет на себе шрамы своего жестокого прошлого, полного пыток, преследований, погромов и войн. Наши исторические книги полны ужасающих историй о массовых кровопролитиях и геноциде, причиной которых в значительной мере являются суеверие, невежество, истерия и ненависть.

Но сегодня мы уже видим родовые схватки новой цивилизации I типа, основанной на науке и процветании. Мы видим, как каждый день перед нашими глазами зреют семена этого судьбоносного перехода. Уже рождается единый планетарный язык. Да и сам интернет не что иное, как телефония I типа. Так что интернет — первая из технологий I типа, появившаяся на свет.

Кроме того, мы являемся свидетелями формирования единой планетарной культуры. В спорте на первый план выходят футбол и Олимпийские игры. В музыке появляются известные во всем мире исполнители. В моде мы видим одни и те же сети магазинов и бренды во всех элитных торговых центрах.

Некоторые опасаются, что этот процесс отрицательно скажется на местных культурах и традициях. Но сегодня в большинстве стран третьего мира элиты двуязычны: они свободно говорят на местном языке, а также на глобальном европейском или классическом китайском. В будущем люди, скорее всего, будут бикультурны: знакомы с обычаями культуры местной и нарождающейся планетарной. Так что богатство и разнообразие Земли сохранятся и после появления этой новой планетарной культуры.

Классификацию цивилизаций мы можем использовать для подсчета числа высокоразвитых цивилизаций в нашей Галактике. К примеру, если применить уравнение Дрейка к цивилизации I типа, может показаться, что они должны встречаться в Галактике довольно часто. Однако мы не видим очевидных признаков их присутствия. Почему? Возможных ответов несколько. Илон Маск считает, что, по мере того как цивилизации овладевают продвинутыми технологиями, они получают возможность погубить себя и что самая серьезная угроза, с которой сталкивается цивилизация I типа, связана с ней самой.

Мы, переходя от типа 0 к типу I, видим несколько серьезных проблем, которые могут угрожать нашему существованию. В качестве примера можно назвать глобальное потепление, биотерроризм и распространение ядерного оружия.

Первая и самая близкая проблема — распространение ядерного оружия. Оно появляется в таких нестабильных регионах, как Ближний Восток, полуостров Индостан и Корейский полуостров. Даже небольшие страны когда-нибудь, возможно, смогут создать ядерное оружие. В прошлом очистить урановую руду и переработать ее в материалы оружейного качества могло только большое государство. Для этого нужны были гигантские установки газового диффузионного разделения и целые батареи ультрацентрифуг. Эти обогатительные предприятия были велики, их легко можно было увидеть со спутника. Малым странам такое было не под силу.

Но чертежи ядерного оружия были украдены, а затем проданы нестабильным режимам. Стоимость ультрацентрифуг и очистки урана до оружейного качества снизилась. В результате даже такие страны, как Северная Корея, постоянно балансирующая на грани экономического коллапса, сегодня способны накопить небольшой, но смертельно опасный ядерный арсенал.

Существует опасность, что какая-нибудь региональная война, скажем между Индией и Пакистаном, может перерасти в крупную войну, в которую будут втянуты основные ядерные державы. Поскольку США и Россия имеют примерно по 7000 ядерных зарядов, это серьезная угроза. Есть опасения, что заполучить ядерную бомбу могут негосударственные образования или террористические группы.

Пентагон заказал аналитическому центру Global Business Network доклад о том, что может произойти, если глобальное потепление разрушит экономику множества бедных стран, таких как Бангладеш. Анализ показал, что, согласно худшему сценарию, государства могут использовать ядерное оружие для защиты своих границ от потока миллионов отчаявшихся голодающих беженцев. И даже если это не приведет к ядерной войне, остается другая угроза существованию человечества — глобальное потепление.

Глобальное потепление и биотерроризм

Климат на Земле становится все мягче уже давно — на протяжении примерно 10 000 лет, с окончания последнего ледникового периода. А в последние полвека Земля разогревается с пугающей и постоянно растущей скоростью. Мы наблюдаем многочисленные и разнообразные свидетельства этого процесса:

• Все крупные ледники Земли отступают.

• Северные полярные льды за последние 50 лет стали тоньше в среднем на 50 %.

• Большие части Гренландии, которую покрывает второй по размеру на Земле ледяной щит, оттаивают.

• Сектор Антарктики размером с штат Делавэр — шельфовый ледник Ларсена — откололся в 2017 г., и теперь стабильность ледяного щита и шельфовых ледников Белого континента под вопросом.

• Последние несколько лет были самыми теплыми на Земле за всю историю наблюдений.

• Средняя температура на Земле в ХХ в. повысилась примерно на 1,3 °C.

• В среднем лето теперь примерно на неделю длиннее, чем было прежде.

• Мы регистрируем все больше «самых катастрофических за столетие» событий: лесных пожаров, наводнений, засух и ураганов.

Существует опасность, что, если в ближайшие несколько десятков лет глобальное потепление будет ускоряться такими же темпами, это может привести к дестабилизации государств, массовому голоду и массовой миграции населения из прибрежных районов. Все вместе это создаст угрозу мировой экономике и прервет переход к цивилизации I типа.

Существует также угроза применения биологического оружия, потенциально способного стереть с лица земли 98 % человечества.

На протяжении всей мировой истории больше всего жертв уносили не войны, а эпидемии чумы и других болезней. К несчастью, вполне возможно, что некоторые государства сохранили тайные запасы возбудителей смертельных болезней, таких как оспа, которые можно превратить в оружие при помощи биотехнологий и применить с целью создания хаоса. Нельзя также исключить вероятность того, что кто-нибудь при помощи биотехнологий создаст «оружие Судного дня» из возбудителей каких-нибудь заболеваний — лихорадки Эбола, ВИЧ, птичьего гриппа, — сделав их еще более опасными или быстрее и легче распространяющимися.

Возможно, в будущем, долетев до других планет, мы обнаружим там пепел погибших цивилизаций. Мы увидим планеты с радиоактивными атмосферами; планеты, перегревшиеся из-за парникового эффекта; планеты с пустыми городами, обитатели которых обратили против себя самих высокотехнологичное биологическое оружие. Так что переход от 0 типа к I вовсе не гарантирован и представляет собой, пожалуй, самый серьезный вызов, с которым сталкивается нарождающаяся цивилизация.

Энергия для цивилизации I типа

Ключевой вопрос состоит в том, сможет ли цивилизация I типа перейти от различных видов ископаемого топлива к другим источникам энергии.

Один из возможных вариантов состоит в использовании атомной энергии. Но урановое топливо традиционных ядерных реакторов создает большое количество ядерных отходов, которые останутся радиоактивными еще миллионы лет. Даже сегодня, спустя полвека после вступления в атомную эпоху, у нас нет безопасного метода хранения высокоактивных ядерных отходов. Помимо всего прочего, эти материалы очень горячи и могут вызвать расплавление активной зоны ядерного реактора, свидетелями чего мы были во время катастроф Чернобыля и Фукусимы.

Альтернативой энергии ядерного уранового распада является энергия термоядерного синтеза. Она, как говорилось в главе 8, еще не готова для коммерческого использования. Однако цивилизация I типа, обогнавшая нас на столетие, могла бы, вероятно, отладить эту технологию и использовать термоядерный синтез как необходимый и почти неограниченный источник энергии.

Преимущество термоядерного синтеза состоит в том, что топливом для него является водород, который можно извлекать из морской воды. Кроме того, термоядерному реактору не угрожает катастрофическое расплавление активной зоны, как случилось в Чернобыле и Фукусиме. Если с термоядерным реактором что-то случится (к примеру, сверхгорячий газ соприкоснется с оболочкой реактора), процесс синтеза автоматически прекратится. Дело в том, что синтез должен проходить при условиях, удовлетворяющих критерию Лоусона: чтобы синтез водорода шел сколько-нибудь протяженное время, он должен поддерживать надлежащую плотность и температуру. Но если процесс синтеза выходит из-под контроля, он перестает удовлетворять критерию Лоусона и прекращается сам по себе.

Кроме того, термоядерный реактор производит очень умеренное количество ядерных отходов. Возникающие в процессе водородного синтеза нейтроны, облучая стальной корпус реактора, делают его слегка радиоактивным. Количество отходов при этом составляет очень небольшую долю от количества отходов, производимых урановыми реакторами.

Помимо термоядерного синтеза есть и другие возможные возобновляемые источники энергии. Одна из весьма привлекательных возможностей для цивилизации I типа состоит в том, чтобы использовать энергию излучения светила в космосе. Поскольку 60 % энергии солнечного света теряется при прохождении атмосферы, искусственные спутники могли бы собирать этой энергии гораздо больше, чем собирают солнечные батареи на поверхности Земли.

Космическая энергосистема могла бы включать в себя множество громадных зеркал, обращающихся вокруг Земли и собирающих солнечный свет. Они находились бы на геостационарной орбите (то есть обращались вокруг Земли со скоростью, равной скорости вращения Земли, и с поверхности были бы видны постоянно в одной и той же точке). Эта энергия могла бы передаваться в виде микроволнового излучения на наземную принимающую станцию и распределяться по обычной электрической сети.

У космической солнечной энергии множество преимуществ. Она экологически чиста и не производит отходов. Система сбора такой энергии может работать круглые сутки, а не только днем. (Геостационарные спутники почти никогда не попадают в тень Земли, поскольку орбиты уводят их на значительное расстояние от земной орбиты.) Солнечные панели не имеют движущихся частей, что резко снижает вероятность поломок. И что лучше всего, мы можем подключиться к безграничному потоку бесплатной энергии от Солнца.

Прорабатывая вопрос использования космической солнечной энергии, ученые приходят к выводу, что эта цель достижима при помощи уже имеющихся технологий. Основной проблемой здесь, как во всех проектах, связанных с космическими полетами, является цена. Пока использование космической солнечной энергии обошлось бы во много раз дороже, чем размещение солнечных панелей на заднем дворе.

Космическая солнечная энергия недоступна цивилизации 0 типа, какой является наша, но для цивилизации I типа она может стать естественным источником энергии по нескольким причинам:

1. Стоимость космических полетов падает в первую очередь благодаря появлению частных ракетных компаний и изобретению многоразовых ракет.

2. В конце этого столетия, возможно, будет создан космический лифт.

3. Космические солнечные панели из легких наноматериалов позволят снизить вес и стоимость запуска.

4. Солнечные спутники можно собирать в космосе при помощи роботов, что избавит нас от необходимости посылать туда астронавтов.

Кроме того, такая система в целом считается безопасной. Хотя микроволны могут наносить вред, расчеты показывают, что большая часть энергии заперта в пределах луча, а та энергия, что выходит за его пределы, не должна, по идее, превышать приемлемые экологические стандарты.

Переход к цивилизации II типа

Вероятно, со временем цивилизации I типа истощат источники энергии, доступные на родной планете, и будут искать способ использовать громадную энергию, источником которой является центральное светило их звездной системы.

Цивилизацию II типа несложно обнаружить, потому что существа, ее составляющие, скорее всего, бессмертны. Ничто, известное науке, не в состоянии разрушить их культуру. Столкновений с метеоритами и астероидами можно избежать, используя ракетную технику. Парниковый эффект можно нейтрализовать, используя водородные или солнечные технологии (топливные элементы, термоядерные станции, космические солнечные станции и т. п.). Если возникнут какие-то планетарные угрозы, представители такой цивилизации могут снарядить космические армады и покинуть свою планету. Не исключено даже, что они могут сдвинуть ее с места. Поскольку энергии у них достаточно, чтобы изменять траектории астероидов, они могут запускать их вокруг своей планеты, таким образом постепенно корректируя ее орбиту. При помощи последовательных гравитационных маневров они могут отодвинуть орбиту своей планеты дальше от солнца, если их звезда находится в конце жизненного цикла и начинает расширяться.

Чтобы обеспечить свою цивилизацию энергией, они, как мы уже говорили, могут построить сферу Дайсона и собирать бо́льшую часть энергии Солнца. (Единственная проблема со строительством подобных мегаструктур заключается в том, что для них на землеподобных планетах может просто не хватить строительного материала. Поскольку диаметр Солнца больше диаметра Земли в 109 раз, для строительства такой сферы потребовалось бы невероятное количество материалов. Может быть, решением этих практических проблем станет использование нанотехнологий. Если делать мегасооружения толщиной всего лишь несколько молекул, это сильно снизит потребность в строительных материалах.)

Число космических экспедиций при строительстве подобных мегасооружений поистине монументально. Решением может стать использование космических роботов и самоорганизующихся материалов. К примеру, если удастся построить на Луне нанофабрику, которая изготавливала бы панели для сферы Дайсона, тогда собирать их можно будет прямо в космосе. А если роботы будут самовоспроизводящимися, сделать их можно будет столько, сколько потребуется.

Но цивилизация II типа, даже если она буквально бессмертна, сталкивается тем не менее с одной долгосрочной угрозой. Речь идет о втором законе термодинамики и о том, что все их машины в совокупности произведут достаточно инфракрасного теплового излучения, чтобы сделать жизнь на планете невозможной. Второй закон термодинамики гласит, что энтропия (беспорядок, хаос) в замкнутой системе всегда увеличивается. В данном случае каждая машина, каждое устройство и каждый аппарат производит отходы в виде тепла. Наивный человек мог бы предположить, что решение этой проблемы — строительство гигантских холодильников для охлаждения планеты. Да, такие холодильники действительно снизили бы температуру внутри себя, но, если просуммировать все, включая тепло моторов, которые обеспечивают работу холодильников, выяснится, что среднее количество тепла в системе все равно увеличивается.

(Так, в жаркий день мы обмахиваем лицо, считая, что это охлаждает нас. Лицо и правда остужается, и мы испытываем временное облегчение, но при этом наши мышцы, кости и т. п. вырабатывают дополнительное тепло и суммарное количество тепла увеличивается. Обмахивание дает кратковременный психологический эффект, а на самом деле температура нашего тела и воздуха вокруг нас повышается.)

Охлаждение для цивилизации II типа

Чтобы выжить, несмотря на второй закон термодинамики, цивилизации II типа, возможно, придется рассредоточить свои машины — в противном случае может произойти перегрев. Как мы уже говорили, одним из решений может стать вывод большей части техники в открытый космос, так, чтобы родная планета цивилизации II типа превратилась в парк. Это означает, что все вырабатывающее тепло оборудование будет производиться вне планеты. Техника станет потреблять энергию светила, но вырабатываемое ею избыточное тепло будет уходить в открытый космос и рассеиваться без вреда.

Со временем и сама сфера Дайсона начнет нагреваться. Это означает, что она обязательно должна излучать в инфракрасном диапазоне. (Даже если мы предположим, что эта цивилизация строит специальные машины, чтобы скрыть инфракрасное излучение, со временем и сами эти машины нагреются и станут излучать в инфракрасном диапазоне.)

Ученые давно сканируют небо в поисках источников инфракрасного излучения, которые говорили бы о присутствии в этом районе цивилизации II типа, но пока ничего обнаружить не удалось. Ученые Лаборатории имени Ферми в окрестностях Чикаго просканировали 250 000 звезд в поисках сигнатур цивилизации II типа, но нашли всего четыре «занятных, но по-прежнему спорных» случая, так что эти результаты можно считать неопределенными. Может быть, космический телескоп «Джеймс Уэбб», который вступит в строй в 2021 г. и будет искать именно инфракрасное излучение, сумеет-таки найти тепловую сигнатуру цивилизации II типа в нашем секторе Галактики.

Пока же это загадка. Если цивилизации II типа практически бессмертны и при этом обязательно выбрасывают вовне лишнее тепло в виде инфракрасного излучения, тогда почему мы до сих пор их не обнаружили? Возможно, ограничиваясь инфракрасным излучением, мы слишком сужаем поиски.

Астроном Крис Импи из Университета Аризоны, комментируя поиски цивилизаций II типа, писал: «Исходный посыл состоит в том, что любая высокоразвитая цивилизация должна оставлять за собой след куда более заметный, чем оставляем мы. Цивилизации II типа или старше могут использовать технологии, к которым мы только начинаем подступаться или с трудом можем представить себе. Может быть, они управляют звездными катаклизмами или используют двигатели на антивеществе. Может быть, они управляют пространством-временем, создавая кротовые норы или молодые вселенные, а общаются при помощи гравитационных волн».

Или, как писал Дэвид Гринспун: «Логика подсказывает мне, что знаки богоподобного явления высокоразвитых инопланетян нужно искать в небе. И все же эта идея кажется нелепой. Она одновременно логична и абсурдна. Поди разберись».

Чтобы выйти из этой дилеммы, мы можем, к примеру, осознать, что существует два способа ранжирования цивилизаций: по энергетическому потреблению и по информационному.

Современное общество давно и успешно занимается миниатюризацией и энергоэффективностью, но при этом потребление им информации испытывает взрывной рост. И действительно, Карл Саган предложил способ ранжирования цивилизаций по информации.

В его сценарии цивилизация типа A потребляет 1 млн бит информации. Цивилизация типа B должна потреблять информации вдесятеро больше, то есть 10 млн бит, и так далее до типа Z, где цивилизация может потребить поразительные 10↑³¹ бит информации. Согласно этой шкале, мы относимся к типу H. Смысл этой классификации в том, что цивилизации могут продвигаться по шкале информационного потребления, оставаясь при этом на том же уровне энергопотребления. Именно поэтому, возможно, они не производят значительного количества инфракрасного излучения.

В разумности такого подхода мы можем убедиться в любом музее науки и техники. Размеры машин времен промышленной революции — гигантских локомотивов и пароходов — просто поражают. Но при этом нельзя не заметить, насколько они были неэффективны и как много выделяли тепла. Точно так же гигантские компьютерные хранилища информации 1950-х гг. сегодня можно заменить обычным сотовым телефоном. Современные технологии стали намного сложнее и умнее — при этом они теперь намного менее энергозатратны.

Так что цивилизация II типа может потреблять громадное количество энергии, не сжигая при этом свою планету; для этого ей достаточно рассредоточить свои машины по сфере Дайсона или создать сверхэффективные миниатюрные компьютерные системы. Избежав проблем избыточного тепла, связанного с громадным энергопотреблением, они могут изобрести сверхэффективные технологии, потребляющие огромное количество информации, но производящие относительно немного избыточного тепла.

Разделится ли человечество?

Однако в том, насколько каждая цивилизация сможет продвинуться в своих космических путешествиях, есть серьезные ограничения. Цивилизация I типа, как мы уже видели, ограничена энергией своей планеты. В лучшем случае она сможет овладеть искусством терраформирования какой-нибудь планеты вроде Марса и начать изучение ближайших звезд. Автоматические зонды начнут исследование ближайших звездных систем, и, может быть, первые астронавты отправятся к ближайшей звезде, такой как Проксима Центавра. Но технологически и экономически такие цивилизации недостаточно развиты, чтобы начать систематическую колонизацию десятков близлежащих звездных систем.

Для цивилизации II типа, опережающей первую на несколько сотен или тысяч лет, колонизация сектора Млечного Пути становится вполне реальной возможностью. Но даже цивилизация II типа серьезно ограничена в этом отношении, и ограничивает ее световой барьер. Если считать, что сверхсветовые скорости этим существам недоступны, то на колонизацию сектора Галактики у них могут уйти многие столетия.

Но если перелет из одной звездной системы в другую занимает сотни лет, узы, связывающие поселенцев с родным миром, со временем неизбежно ослабнут. Постепенно планеты потеряют связь с другими мирами, где, возможно, возникнут новые ветви рода человеческого, сумевшие приспособиться к разнообразным местным условиям. Кроме того, колонисты, возможно, и сами будут генетически и кибернетически менять себя, чтобы лучше адаптироваться к среде. Со временем они, вероятно, перестанут ощущать какую бы то ни было связь с родной планетой.

На первый взгляд это противоречит концепции азимовского «Основания», где Галактическая империя, колонизировавшая большую часть Галактики, появилась через 50 000 лет после настоящего времени. Можно ли примирить эти две столь разные концепции будущего?

Неужели конечная судьба человечества — разделиться на мелкие части, которые будут иметь смутное представление друг о друге? Это ставит перед нами самый важный вопрос: неужели мы приобретем звезды, но при этом утратим собственную человеческую природу? И вообще, что значит быть человеком, если ветвей человечества вокруг множество и все они разные?

Судя по всему, дивергенция, или расхождение видов, широко распространена в природе и пронизывает всю биологическую эволюцию, не только эволюцию человека. Дарвин первым понял, как это происходит в животном и растительном царстве, и нарисовал в своей записной книжке пророческую диаграмму. На его рисунке мы видим ветви дерева, которые затем разветвляются на еще более мелкие веточки. На одной простой диаграмме он изобразил древо жизни, где все разнообразие природы берет начало от одного-единственного вида.

Возможно, эта диаграмма будет применима не только к жизни на Земле, но и к человечеству несколько тысяч лет спустя, когда мы станем цивилизацией II типа, способной колонизировать соседние звезды.

Великое галактическое расселение

Чтобы взглянуть на эту проблему конкретнее, нам придется заново проанализировать нашу собственную эволюцию. Окинув глазом широкую панораму человеческой истории, можно увидеть, что примерно 75 000 лет назад произошло Великое расселение, когда небольшие группы людей двинулись из Африки через Ближний Восток, создавая поселения на своем пути. Возможно, их гнали вперед экологические катастрофы, такие как извержение вулкана Тоба и ледниковый период. Один из основных людских потоков миновал Ближний Восток и отправился в Среднюю Азию. Затем, около 40 000 лет назад, это направление миграции разделилось еще на несколько меньших ветвей. Одна из них продолжила движение на восток и со временем осела в Азии, образовав ядро современных азиатов. Другая повернула и направилась в северную Европу, образовав со временем европейскую расу. Еще одна ветвь отправилась на юго-восток и со временем, пройдя Индию, попала в Юго-Восточную Азию, а затем и в Австралию.

Сегодня мы видим вокруг себя последствия Великого расселения.

Мы видим разнообразие людей разных цветов кожи, размеров, форм и культур, не имеющих наследственной памяти о своих истинных корнях. Можно даже приблизительно подсчитать, насколько разнообразен род человеческий. Если считать, что новые поколения появляются каждые 20 лет, то получится, что любых двух человек на планете разделяет не более 3500 поколений.

Сегодня, десятки тысяч лет спустя, мы при помощи современных технологий можем приступить к воссозданию всех миграционных путей прошлого. Мы можем попытаться построить фамильное древо человеческих миграций за последние 75 000 лет.

Я наглядно убедился в этом, выступив в роли ведущего в научно-популярном фильме о природе времени. Телевизионщики взяли у меня образец ДНК, затем четыре моих гена сравнили с генами тысяч других людей по всему миру в поисках совпадений. Местонахождение людей, гены которых совпали с моими, нанесли на карту. Результат получился довольно интересный. В Японии и Китае нашлось немало людей, гены которых совпали с моими, а кроме них, была еще тоненькая ниточка точек, уходивших через Тибет к пустыне Гоби. Так что ДНК-анализ позволил проследить путь, которым прошли мои предки около 25 000 лет назад.

Далеко ли мы разойдемся?

Насколько далеко разойдется человечество биологически за тысячи лет? Будет ли оно узнаваемо через десятки тысяч лет генетически раздельного существования?

На этот вопрос можно ответить, если воспользоваться ДНК как своеобразными «часами». Биологи заметили, что ДНК во все времена мутирует примерно с одинаковой частотой. К примеру, нашим ближайшим эволюционным родичем является шимпанзе. Анализ показывает, что наши с шимпанзе ДНК различаются приблизительно на 4 %. Исследование окаменевших останков человека и шимпанзе указывает, что мы разделились около 6 млн лет назад.

Это означает, что наша ДНК мутировала со скоростью 1 % за 1,5 млн лет. Естественно, это всего лишь приблизительная оценка, но посмотрим, не поможет ли она нам получить представление о древней истории нашей собственной ДНК.

Предположим на мгновение, что такая скорость изменений (1 % за каждые 1,5 млн лет) примерно постоянна.

А теперь проанализируем наших ближайших человекоподобных родичей — неандертальцев. Анализ ДНК и костных останков неандертальцев показывает, что их ДНК отличается от нашей примерно на 0,5 % и что нас отделяет от них приблизительно от 500 000 до 1 млн лет. Так что палеонтологические данные приблизительно согласуются с показаниями ДНК-часов.

Если проанализировать человеческую ДНК, то выяснится, что любые два случайно выбранных человека могут различаться по ДНК на 0,1 %. Согласно ДНК-часам, это означает, что разные ветви рода человеческого начали расходиться около 150 000 лет назад, что примерно соответствует истории происхождения человека.

Таким образом, имея ДНК-часы, мы можем примерно рассчитать, когда мы разошлись с шимпанзе, с неандертальцами и, наконец, с нашими собратьями-людьми.

С помощью этих же часов мы можем оценить, насколько сильно человечество изменится в будущем, если мы рассеемся по Галактике и при этом не будем слишком активно вмешиваться в свою ДНК. Предположим на мгновение, что мы остаемся цивилизацией II типа и на протяжении 100 000 лет располагаем только досветовыми ракетами.

Даже если разные человеческие поселения потеряют контакт с другими ветвями человечества, это приведет к тому, что люди смогут разойтись примерно на 1 % ДНК, что соответствует максимальной дивергенции между людьми, которую мы видим на Земле сегодня.

Вывод, который можно из этого сделать: в ходе расселения человечества по Галактике на досветовых скоростях и при потере связи между переселенцами и другими ветвями человечества мы по-прежнему в основе своей останемся людьми. Даже через 100 000 лет, когда мы, по разумным прикидкам, освоим скорость света, различные популяции людей будут различаться не больше, чем сегодня различаются между собой два случайно выбранных человека.

Эти же методы оценки применимы и к языку, на котором мы говорим. Археологи и лингвисты обратили внимание, что, когда они пытаются проследить происхождение языка, выявляется поразительная закономерность. Они обнаруживают, что из-за миграций язык непрерывно ветвится и разделяется на диалекты; а со временем эти новые диалекты сами становятся полноценными языками.

Если нарисовать дерево всех известных языков и связей между ними — как языки ответвлялись один от другого — и сравнить его с наследственным деревом, подробно отображающим древние пути миграции, получится практически идентичная картина.

К примеру, Исландию, которая с 874 г., когда на острове появились первые норвежские поселения, была в значительной степени изолирована от Европы, можно использовать как лабораторию для проверки лингвистических и генетических теорий. Исландский язык тесно связан с норвежским языком IX в. и имеет в своем составе лишь небольшие вкрапления шотландского и ирландского. (Это, вероятно, объясняется тем, что викинги брали рабов в Шотландии и Ирландии.) Значит, можно создать лингвистические и ДНК-часы и подсчитать приблизительно, сколько различий накопится в языке за тысячу лет. Даже через тысячу лет можно без труда найти свидетельства древних миграционных паттернов, навсегда отпечатавшихся в языке.

Но, даже если наши ДНК и язык после нескольких тысяч лет раздельного существования все еще похожи на себя, можно ли сказать то же самое о нашей культуре и верованиях? Сможем ли мы понять отдалившиеся от нас культуры и идентифицировать себя с ними?

Общие базовые ценности

Когда мы думаем о Великом переселении и цивилизациях, которые оно породило, мы представляем себе не только разнообразие физических черт, таких как цвет кожи, рост, структура волос и так далее, но и набор базовых характеристик, которые удивительно совпадают во всех культурах, даже если те потеряли контакт друг с другом тысячи лет назад.

Свидетельство тому мы видим, приходя в кино. Люди разных рас и культур, разошедшихся, возможно, 75 000 лет назад, все-таки смеются, плачут и замирают в тревожном ожидании в одни и те же моменты по ходу фильма. Переводчики отмечают универсальность шуток и юмора в фильмах, хотя языки давным-давно разошлись.

Это применимо и к нашему чувству прекрасного. В музеях, где выставлены артефакты древних цивилизаций, мы видим общие темы. Вне зависимости от конкретной культуры мы обязательно встречаем пейзажи, портреты богатых и могущественных людей, мифологические сюжеты и образы богов. Хотя чувство прекрасного трудно оценить количественно, то, что считается красивым в одной культуре, зачастую считается красивым и в другой, совершенно неродственной культуре. Например, какую культуру ни возьми, всюду мы встречаем сходные цветочные и растительные орнаменты.

Еще одной темой, которая успешно преодолевает барьеры пространства и времени, можно считать общие социальные ценности. Благополучие окружающих — один из основных глубинных мотивов человеческого поведения. Оно означает доброту, великодушие, дружбу, заботу. Разные варианты Золотого правила можно обнаружить у многих цивилизаций. Многие религии на фундаментальном уровне подчеркивают одни и те же идеи, такие как милосердие и сочувствие по отношению к бедным и несчастным.

Вторая глубинная характеристика человека направлена не внутрь, а вовне. Она включает в себя любопытство, инновации, творческий подход и стремление к открытиям и исследованию нового. Во всех культурах мира есть мифы и легенды о великих исследователях и первопроходцах.

Таким образом, принцип пещерного человека признает, что глубинные личностные характеристики человека не слишком изменились за 200 000 лет, поэтому, даже рассеявшись меж звезд, мы, скорее всего, сохраним нашу систему ценностей и личностные характеристики.

Более того, психологи отмечают, что какой-то образ привлекательного, возможно, содержится в зашифрованном виде непосредственно в мозге. Если взять фотографии нескольких сотен случайных людей и наложить при помощи компьютера эти изображения друг на друга, получится некий составной, усредненный образ. Как ни удивительно, многим этот образ кажется привлекательным. Если это правда, то из этого следует, что существует некий усредненный образ, зашитый в наш мозг «на аппаратном уровне» и определяющий, что мы считаем привлекательным. То, что нам представляется красивым в человеческом лице, — это на самом деле норма, а не исключение.

Но что произойдет, когда мы наконец обретем статус цивилизации III типа и научимся передвигаться быстрее света? Распространим ли мы ценности и эстетику нашего мира на всю Галактику?

Переход к цивилизации III типа

Возможно, со временем цивилизация II типа истощит запасы энергии не только своей звезды, но и всех близлежащих звезд и начнет постепенное движение к следующему уровню — к превращению в галактическую цивилизацию, цивилизацию III типа. Такая цивилизация умеет не только собирать энергию миллиардов звезд, она может также использовать энергию черных дыр, подобных той сверхмассивной черной дыре, что располагается в центре Млечного Пути и весит примерно как 2 млн Солнц. Если звездолет движется по направлению к ядру нашей Галактики, мы видим там множество плотных звезд и пылевых облаков, которые могли бы служить идеальным источником энергии для цивилизации III типа. Для галактической связи такая цивилизация могла бы использовать гравитационные волны, которые Эйнштейн предсказал еще в 1916 г., но обнаружить их физикам удалось только 100 лет спустя. В отличие от лазерных лучей, которые по пути могут поглощаться, рассеиваться и отклоняться от заданной траектории, гравитационные волны способны разойтись по всей Галактике, не обращая внимания на звезды, и потому для связи на больших расстояниях окажутся надежнее.

В настоящий момент нам не ясно, возможны ли сверхсветовые путешествия в принципе, так что имеет смысл рассмотреть и ситуацию, в которой они невозможны.

Если возможны только досветовые космические аппараты, то цивилизация III типа, вероятно, решит исследовать миллиарды миров в своих галактических владениях при помощи самокопирующихся зондов, которые будут лететь к звездам на досветовой скорости. Идея состоит в том, чтобы разместить этих роботов на какой-нибудь отдаленной луне. Это идеальный выбор, поскольку окружающая среда на лунах стабильнее, эрозия отсутствует, а садиться и взлетать с них легко из-за слабой силы притяжения. Лунный зонд, энергию для которого будут вырабатывать солнечные батареи, сможет бесконечно сканировать солнечную систему и передавать по радио полезную информацию.

После посадки на луну зонд построит из лунных материалов завод для производства тысячи собственных копий. Каждый такой клон второго поколения стартует с луны и унесется колонизировать другие отдаленные луны. Таким образом, начав с одного робота, мы получим их тысячу. Если каждый из них построит на своей луне еще тысячу роботов, их у нас уже будет миллион. Затем миллиард. Затем триллион. Всего за несколько поколений мы можем получить расширяющуюся сферу из квадриллионов таких устройств, которые ученые называют машинами фон Неймана.

По существу, на таком сценарии основан сюжет фильма «2001 год: Космическая одиссея», который даже сегодня остается, возможно, самым реалистичным изображением встречи с инопланетным разумом. В этом фильме инопланетяне поместили машину фон Неймана — черный монолит — на Луне, откуда она посылает сигналы на передающую станцию в системе Юпитера, чтобы отслеживать эволюцию человечества на Земле и даже влиять на ее ход.

Так что, возможно, человечество впервые встретит инопланетный разум не в виде пучеглазого чудища, а в виде небольшого самокопирующегося зонда. Благодаря применению нанотехнологий этот зонд может быть маленьким — быть может, настолько маленьким, что вы его просто не заметите. Вполне можно представить себе, что где-то — на вашем заднем дворе или на Луне — имеются свидетельства прошлых визитов инопланетного разума, но они почти невидимы.

Профессор Пол Дэвис сделал интересное предложение. Он написал статью, в которой призывал вернуться на Луну и поискать там аномальные энергетические сигнатуры или радиопередачи. Если на нашей Луне миллионы лет назад садился зонд фон Неймана, он, скорее всего, должен был добывать солнечную энергию для питания, чтобы непрерывно передавать радиосообщения. А поскольку эрозии на Луне нет, существует вероятность, что этот зонд и сегодня находится в почти идеальном рабочем состоянии и, может быть, все еще действует.

Поскольку интерес к возвращению на Луну, а затем и к полету на Марс сегодня возродился, такой проект дал бы ученым возможность проверить, не остались ли там следы предыдущих визитов инопланетян.

К примеру, писатель и кинорежиссер Эрих фон Дэникен утверждает, что инопланетные корабли уже высаживались на Землю несколько столетий назад и что астронавты изображены на памятниках древних цивилизаций. Единомышленники фон Дэникена считают, что вычурные головные уборы и костюмы, которые можно увидеть на древних рисунках и памятниках, на самом деле представляют собой изображения древних астронавтов с их шлемами, топливными баками, скафандрами и т. п. Эту идею нельзя просто так отбросить, но и доказать ее очень трудно. Одних только древних рисунков для этого недостаточно. Нам нужны достоверные, осязаемые доказательства палеоконтактов. К примеру, если на Земле существовали древние космопорты, возле них должны были остаться отходы и мусор в виде проводов, микросхем, инструментов, электроники, всевозможного бытового мусора и машин. Одна-единственная инопланетная микросхема разрешила бы этот спор раз и навсегда. Так что если кто-то из ваших знакомых утверждает, что был похищен космическими пришельцами, попросите этого человека в следующий раз, когда произойдет что-нибудь подобное, стащить что-нибудь с корабля пришельцев.

Машины фон Неймана, возможно, окажутся для цивилизации III типа самым эффективным способом получать информацию о состоянии галактики. Но существует еще один способ исследовать галактику более непосредственно — с помощью лазерного переноса, как я это называю.

Лазерный перенос к звездам

Писатели-фантасты издавна грезили о том, чтобы человек мог исследовать Вселенную в виде чисто энергетической сущности. Возможно, когда-нибудь мы действительно сможем сбросить материальную оболочку и носиться по космосу, оседлав световой луч. Мы могли бы путешествовать к далеким звездам с максимально возможной скоростью. Мы могли бы, не сдерживаемые ничем материальным, летать наперегонки с кометами, проноситься над жерлами извергающихся вулканов, задевая лавовые гребни, облетать кольца Сатурна и посещать интересные места на другом конце Галактики.

Как ни странно, эта мечта вполне может оказаться не просто полетом чистой фантазии. Не исключено, что она основана на вполне серьезных научных данных. В главе 10 мы говорили о проекте исследования человеческого коннектома — амбициозной программе составления полной схемы мозга со всеми его связями. К концу этого столетия или в начале следующего мы получим полную карту мозга, которая будет содержать, в принципе, все наши воспоминания, ощущения, чувства — и даже нашу личность. Имея коннектом, мы можем отправить его с лазерным лучом в открытый космос. Луч донесет в нужное место всю информацию, необходимую для создания цифровой копии вашего сознания.

За одну секунду ваш коннектом можно переправить на Луну. За несколько минут он может добраться до Марса. За несколько часов — до газовых гигантов. Через четыре года вы могли бы достичь Проксимы Центавра. А через 100 000 лет ваш коннектом мог бы достичь пределов галактики Млечный Путь.

По прибытии на отдаленную планету информация с лазерного луча будет загружена в мощный компьютер. После этого ваш коннектом сможет управлять роботизированным аватаром. Его тело будет настолько прочным и надежным, что сможет функционировать даже там, где атмосфера ядовита, температура чрезвычайно низка или высока, а тяготение слишком сильно или слишком слабо. И хотя все ваши нейронные схемы будут содержаться внутри стационарного мощного компьютера, вы сможете испытывать все ощущения, получаемые от аватара. В сущности, вы поселитесь в аватаре.

Преимущество такого подхода состоит в том, что исчезает необходимость в грязных и дорогих ракетах-носителях и космических станциях. Не придется решать проблемы невесомости, столкновений с астероидами, радиации, несчастных случаев и скуки, потому что вас передадут с места на место в виде чистой информации. Кроме того, двигаясь со скоростью света, вы сможете совершить путешествие к звездам максимально быстро. С вашей точки зрения, перенос вообще произойдет мгновенно. Все, что вы будете помнить, — это как вошли в лабораторию, а после этого мгновенно оказались в месте назначения. (Дело в том, что при движении со скоростью света время, по существу, останавливается, так что вы передвигаетесь по космосу безо всякой временной задержки. Этим метод существенно отличается от путешествия в анабиозе, поскольку при движении со скоростью света время, как я уже упоминал, по сути, останавливается. И хотя в процессе переноса вы ничего не увидите, всегда можно остановиться на любой промежуточной станции и посмотреть, что происходит вокруг.)

Я называю этот метод «лазерным переносом», и это, возможно, самый удобный и быстрый способ добраться до звезд. Цивилизация I типа лет через 100 сможет провести первые такие эксперименты. Для цивилизаций II и III типов лазерный перенос, наверное, окажется самым удобным способом передвижения по Галактике, поскольку они, скорее всего, будут располагать колонизированными далекими планетами с самокопирующимися роботами. Не исключено, что цивилизация III типа устроит для связи между звездами Млечного Пути своеобразное лазерное «мегашоссе», по которому будут одновременно передвигаться в разных направлениях и на разные расстояния триллионы душ.

Идея эта, кажется, обеспечивает самый удобный способ исследования Галактики, но, чтобы реально создать порт для лазерного переноса, потребуется решить несколько практических проблем.

Поместить коннектом в лазерный луч не проблема, поскольку лазеры, в принципе, способны переносить неограниченное количество информации. Главная проблема — создать вдоль маршрута сеть передающих станций, которые этот коннектом принимали бы, усиливали и отправляли дальше, на следующую станцию. Как уже говорилось, облако Оорта тянется на несколько световых лет от звезды, так что облака Оорта разных звезд могут частично перекрываться или почти соприкасаться. Стационарные кометы облака Оорта образуют, возможно, идеальные точки для размещения передающих станций. (Строить станции на кометах облака Оорта предпочтительнее, чем размещать их на дальних лунах, поскольку луны обращаются вокруг планет и часто заслоняются ими, а эти кометы практически стоят на месте.)

Чтобы построить передающие станции, на место придется добираться на досветовой скорости. Один из способов сделать это — воспользоваться системой лазерных парусов, которая разгоняется до существенной доли скорости света. После посадки на одну из комет облака Оорта роботы, прибывшие на лазерных парусах, смогут изготовить копии самих себя и собрать передающую станцию из сырья и материалов, найденных на комете.

Первоначально передающие станции придется строить с учетом досветовых скоростей, но после этого наши коннектомы смогут свободно путешествовать по проложенным маршрутам со скоростью света.

Лазерный перенос можно будет использовать не только для научных целей, но и для отдыха. Мы могли бы устраивать себе отпуска, путешествуя среди звезд. Для этого сначала нужно составить карту тех планет, лун или комет, которые нам хотелось бы посетить, — независимо от того, насколько враждебны или опасны для человека условия на них. Затем, возможно, пришлось бы составить список тех типов аватаров, которыми мы хотим воспользоваться. (Эти аватары, кстати говоря, будут существовать не в виртуальной реальности, а представлять собой реальных роботов, наделенных сверхчеловеческими способностями.) На каждой планете нас будет ждать заказанный аватар, обладающий всеми желаемыми качествами и сверхвозможностями. Добравшись до планеты, мы «вселяемся» в этого аватара, путешествуем по планете и наслаждаемся невероятными видами. Затем возвращаем робота в хранилище, чтобы им мог воспользоваться следующий клиент, а сами переносимся на лазерном луче в следующий пункт нашего путешествия. За время отпуска мы сможем исследовать несколько лун, комет и экзопланет. Нам не придется беспокоиться о несчастных случаях и болезнях, поскольку на самом деле по Галактике будет носиться только наш коннектом.

Когда мы смотрим в ночное небо и гадаем, есть ли там кто-нибудь, небеса могут казаться нам холодными, неподвижными и пустыми. Но, возможно, там каждое мгновение верхом на лазерном луче проносятся триллионы путешественников.

Кротовые норы и энергия Планка

Все это, однако, оставляет открытой вторую возможность — то, что цивилизации III типа доступны путешествия на сверхсветовых скоростях. С ними в эту картину входит новый закон физики. Это царство планковской энергии, масштаб, на котором происходят новые странные явления, нарушающие обычные законы гравитации.

Чтобы понять, почему планковская энергия так важна, следует осознать, что в настоящее время все известные физические явления, от Большого взрыва до движения элементарных частиц, могут быть объяснены на базе двух теорий — общей теории относительности Эйнштейна и квантовой теории. Вместе они образуют основу физических законов, управляющих веществом и энергией. Первая из теорий — общая теория относительности — это теория очень большого: теория относительности объясняет Большой взрыв, свойства черных дыр и эволюцию расширяющейся Вселенной. Вторая — теория очень малого: квантовая теория описывает свойства и движение атомных и субатомных частиц, благодаря которым стали возможны все электронные чудеса в нашей действительности.

Проблема в том, что эти две теории не удается объединить в единую всеобъемлющую теорию. Они совсем не похожи, основаны на разных допущениях, разной математике и разных физических картинах.

Если единая теория поля возможна, то энергия, при которой произойдет унификация, и будет энергией Планка. Это та точка, в которой теория гравитации Эйнштейна полностью рушится. Это энергия Большого взрыва и энергия в центре черной дыры.

Энергия Планка составляет 10↑¹⁹ млрд эВ, что в квадриллион раз больше энергии, получаемой в самом мощном ускорителе частиц на Земле — Большом адронном коллайдере в ЦЕРН.

Поначалу зондирование планковской энергии казалось безнадежным, настолько она громадна. Но цивилизация III типа, имеющая в своем распоряжении более чем в 10↑²⁰ раз больше энергии, чем цивилизация I типа, обладает достаточной мощью, чтобы реализовать это. Так что цивилизация III типа, возможно, в состоянии играть с тканью пространства-времени и по желанию искривлять ее.

Может быть, они достигают такого невероятного энергетического масштаба путем создания ускорителя частиц намного более крупного, чем Большой адронный коллайдер. БАК — это кольцевая труба в форме пончика 27 км в окружности, окруженная сильнейшими магнитными полями.

Когда поток протонов впрыскивается в БАК, магнитные поля изгибают его траекторию и превращают ее в окружность. Затем на «пончик» начинают периодически подавать импульсы энергии, которые заставляют протоны ускоряться. Два пучка протонов летают по трубке в противоположных направлениях. Когда они достигают максимальной скорости, их сталкивают лоб в лоб. При столкновении высвобождается энергия в 14 трлн эВ — крупнейший выброс энергии, когда-либо созданный искусственно. (Это столкновение настолько мощно, что кое-кто даже беспокоился, не станет ли оно причиной рождения черной дыры, которая может поглотить Землю. Эти опасения безосновательны. Землю непрерывно бомбардируют естественно возникающие субатомные частицы с энергиями, намного превышающими 14 трлн эВ. Мать-природа может посылать нам космические лучи намного более мощные, чем те жалкие подобия, которые мы создаем в своих лабораториях.)

После Большого адронного коллайдера

Большой адронный коллайдер породил множество сенсационных новостей, включая новость об открытии неуловимого прежде бозона Хиггса, которое принесло Нобелевскую премию двум физикам — Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру. Одной из основных задач БАКа было достроить головоломку, известную как Стандартная модель элементарных частиц, в которой не хватало последней детали. Эта модель — наиболее продвинутая версия квантовой теории — дает полное описание Вселенной на низких энергетических уровнях.

Стандартную модель иногда еще называют «теорией почти всего», поскольку она точно описывает низкоэнергетическую Вселенную, которую мы видим вокруг. Но она не может быть окончательной теорией по нескольким причинам:

1. В ней не упоминается тяготение. Хуже того, при объединении Стандартной модели и Эйнштейновой теории гравитации гибридная теория рушится, выдавая полную чепуху (расчеты выдают бесконечности, что подразумевает бесполезность и неприменимость теории).

2. В ней присутствует странный набор частиц, явственно отдающий искусственностью. Это 36 кварков и антикварков, серия глюонов Янга — Миллса, лептоны (электроны и мюоны) и бозоны Хиггса.

3. В ней 19 или около того свободных параметров (массы и константы связи частиц), которые приходится вводить вручную. Эти массы и константы связи не определяются теорией; никто не знает, почему они имеют именно такие численные значения.

Трудно поверить, что Стандартная модель с ее пестрым набором субатомных частиц — это и есть окончательная и универсальная теория природы. Это как взять моток скотча, скрепить им утконоса, муравьеда и кита и назвать то, что получилось, прекраснейшим творением Матери-природы и конечным продуктом миллионов лет эволюции.

Следующим крупным ускорителем частиц, который сейчас находится в стадии планирования, станет Международный линейный коллайдер (МЛК), представляющий собой прямую трубу почти 50 км длиной, в которой будут сталкиваться пучки электронов и антиэлектронов. Планируется, что новый коллайдер будет располагаться в горах Китаками в Японии, а его строительство обойдется примерно в $20 млрд (половину этой суммы даст японское правительство).

Хотя максимальная энергия МЛК составит всего лишь 1 трлн эВ, во многих отношениях он будет превосходить БАК. Когда сталкиваются протоны, это столкновение очень трудно анализировать, поскольку сам протон имеет сложную структуру (в него входят три кварка, удерживаемые вместе частицами под названием «глюоны»). А вот электрон не имеет известной структуры. Похоже, что это по-настоящему элементарная частица. Поэтому при столкновении электрона с антиэлектроном взаимодействие будет чистым и простым.

Даже с учетом современных успехов физики наша цивилизация 0 типа не в состоянии непосредственно зондировать планковскую энергию. Но цивилизации III типа все это будет подвластно. Строительство таких ускорителей, как БАК, может стать решающим шагом к прекрасному дню, когда мы сможем проверить, насколько стабильно пространство-время и сможем ли мы передвигаться сквозь него по короткому пути.

Ускоритель в поясе астероидов

Со временем высокоразвитая цивилизация могла бы построить ускоритель частиц размером с пояс астероидов. Круговой поток протонов двигался бы вдоль пояса, направляемый гигантскими магнитами. На Земле частицы движутся внутри большой кольцевой трубки с вакуумом внутри. Но, поскольку вакуум открытого космоса лучше любого земного вакуума, такому ускорителю трубка вовсе не понадобится.

Для его строительства понадобится только серия гигантских магнитных станций, размещенных в стратегических точках вдоль всего пояса астероидов и формирующих кольцевую траекторию для протонного пучка. Это чем-то напоминает эстафетную гонку. Всякий раз, когда протоны проходят мимо очередной станции, электрический импульс запитывает магниты и они подталкивают протонный пучок так, что он движется к следующей станции под нужным углом. Всякий раз, когда протонный пучок проходит мимо станции, в него закачивается новая порция энергии в виде лазерной энергии, и это происходит до тех пор, пока протоны постепенно не достигнут планковской энергии.

Достигнув этой энергии, ускоритель сможет сфокусировать ее в одной точке. По идее, там должна открыться кротовая нора. В нее можно будет впрыснуть достаточно отрицательной энергии, чтобы стабилизировать ее и не дать схлопнуться.

Как может выглядеть проход через кротовую нору? Никто этого не знает, но физик Кип Торн из Калифорнийского технологического института попробовал сделать научно обоснованное предположение, когда консультировал режиссеров фильма «Интерстеллар». При помощи компьютерной программы Торн изобразил траектории световых лучей при прохождении их мимо и сквозь кротовую нору, чтобы можно было получить зрительное представление о том, как могло бы выглядеть подобное путешествие. Этот фильм стал на данный момент самой строгой и научной попыткой визуализировать проход через кротовую нору.

(В фильме при приближении к черной дыре вы видите гигантскую черную сферу, известную как горизонт событий. Именно горизонт событий становится для вас точкой невозврата. Внутри этой черной сферы находится сама черная дыра — крохотная точка, обладающая невероятной плотностью и столь же невероятным тяготением.)

Помимо строительства гигантских ускорителей есть еще несколько способов использования кротовых нор, возможных с точки зрения физики. Один из сценариев предполагает, что Большой взрыв проходил настолько стремительно, что мог запустить механизм расширения микроскопических кротовых нор, существовавших в новорожденной Вселенной 13,8 млрд лет назад. Когда Вселенная начала расширяться экспоненциально, эти кротовые норы, возможно, стали расширяться вместе с ней. Значит, хотя никто пока не видел ничего подобного, кротовые норы могут существовать во Вселенной естественным образом. Некоторые физики рассуждают о том, как отыскать их в пространстве. (Чтобы найти естественную кротовую нору — а такой поиск стал темой нескольких эпизодов «Звездного пути», — следует искать в космосе объект, который искажает звездный свет определенным образом, превращая его, возможно, в сферу или кольцо.)

Еще одна возможность, которую также исследовали Кип Торн и его коллеги, состоит в том, чтобы найти микроскопическую кротовую нору в вакууме и расширить ее. Согласно нашим нынешним представлениям, по мере того как вселенные возникают, а затем вновь исчезают в небытии, пространство, вероятно, пенится микроскопическими кротовыми норами. Располагая достаточным количеством энергии, можно было бы захватить уже существующую кротовую нору и расширить ее.

Однако у всех этих сценариев есть одна проблема. Кротовая нора окружена частицами гравитации — гравитонами. Перед прохождением сквозь кротовую нору вам встретятся квантовые поправки в форме гравитационного излучения. В обычных условиях квантовые поправки малы и их можно не принимать во внимание. Но расчеты показывают, что при проходе сквозь кротовую нору данные поправки бесконечны, так что это излучение, скорее всего, окажется смертельным. Кроме того, уровень излучения может оказаться настолько высоким, что кротовая нора закроется, сделав проход невозможным. Физики все еще спорят о том, насколько опасным может быть путешествие сквозь кротовую нору.

Как только мы проникаем в кротовую нору, теория относительности Эйнштейна становится бесполезной. Квантовые эффекты там настолько сильны, что провести нас через кротовую нору должна другая теория, более высокого порядка. Сейчас на это способна только теория струн — одна из самых странных концепций в истории физики.

Квантовая размытость

Какая теория может объединить общую теорию относительности и квантовую теорию на уровне планковской энергии? Эйнштейн последние 30 лет своей жизни занимался поисками теории всего, которая позволила бы ему «прочитать мысли Бога», но потерпел неудачу. Теория всего остается одной из главных проблем современной физики. Она раскрыла бы для нас некоторые важнейшие тайны Вселенной, с ее помощью мы смогли бы исследовать путешествия во времени, кротовые норы, дополнительные измерения, параллельные вселенные и даже то, что происходило до Большого взрыва. Мало того, именно от ответа на этот вопрос зависит, сможет ли человечество путешествовать по Вселенной на сверхсветовых скоростях.

Чтобы разобраться в этом, нам нужно осмыслить основание квантовой теории — принцип неопределенности Гейзенберга. Этот принцип, название которого звучит так невинно, гласит, что, какими бы чувствительными ни были инструменты, невозможно точно определить одновременно скорость и положение любой элементарной частицы, к примеру электрона. Здесь всегда присутствует квантовая размытость. Вырисовывается поразительная картина: на самом деле электрон представляет собой целый набор различных состояний, и каждое из них описывает электрон в какой-то конкретной точке и с какой-то конкретной скоростью. Эйнштейн ненавидел этот принцип. Он верил в «объективную реальность» — обычное бытовое представление о том, что объекты существуют в определенных конкретных состояниях и что точное положение и скорость любой частицы можно измерить.

Но квантовая теория говорит иначе. В зеркале вы видите себя не таким, какой вы на самом деле. Вы состоите из очень большого набора разных волн. Образ, который вы видите в зеркале, — это некое усреднение, наложение всех этих волн. Есть даже небольшая вероятность того, что некоторые из них распространяются на всю вашу комнату и дальше, в пространство. Некоторые волны, возможно, распространяются до Марса или даже дальше. (Мы любим задавать нашим аспирантам задачу на расчет вероятности того, что некоторые из их волн доходят до Марса и что однажды утром они, встав с постели, смогут ступить прямо на поверхность Красной планеты.)

Эти волны называют «квантовыми поправками» или «квантовыми флуктуациями». В обычных условиях эти поправки малы, так что бытовые представления, основанные на здравом смысле, прекрасно работают, — ведь мы представляем собой наборы атомов и видим только усредненные образы. Но на субатомном уровне квантовые поправки могут быть большими, так что электроны могут находиться в нескольких точках одновременно и существовать в параллельных состояниях. Ньютон был бы шокирован, если бы ему объяснили, что электроны в транзисторах могут существовать в параллельных состояниях. Именно квантовые поправки делают возможной современную электронику. Так что если бы мы могли каким-то образом отключить квантовую размытость, все наши чудеса техники перестали бы работать и общество оказалось бы отброшено почти на 100 лет назад, в доэлектрическую эпоху.

К счастью, физики могут рассчитать квантовые поправки для субатомных частиц и сделать для них предсказания (некоторые сбываются с невероятной точностью, до одной десятитриллионной). Квантовая теория настолько точна, что ее, вероятно, можно считать самой успешной теорией всех времен. Ничто не может соперничать с ней, когда речь идет об обычном веществе. Возможно, это и впрямь самая безумная теория в истории, неслучайно Эйнштейн сказал, что чем успешнее становится квантовая теория, тем она становится страннее. Но в ее пользу говорит один факт: она безусловно верна.

Принцип неопределенности Гейзенберга вынуждает нас заново оценить все, что мы знаем о реальности. Один из результатов такого анализа состоит в том, что черные дыры на самом деле не могут быть черными. Квантовая теория гласит, что чистая чернота должна иметь квантовые поправки, так что черные дыры на самом деле серые. (А еще они испускают слабое излучение, известное как излучение Хокинга.) Во многих учебниках говорится, что в центре черной дыры, или в начале времен, имеется «сингулярность» — точка с бесконечным тяготением. Но бесконечное тяготение нарушает принцип неопределенности. (Иными словами, никакой «сингулярности» не существует; это просто слово, которое мы придумали, чтобы замаскировать свое незнание того, что происходит, когда не работают уравнения. В квантовой теории тоже нет сингулярностей, поскольку там есть размытость, не позволяющая нам точно узнать положение черной дыры.) Также часто говорят, что чистый вакуум — это чистое «ничто». Концепция «нуля» нарушает принцип неопределенности, так что никакого чистого «ничто» не существует. (Вакуум — это кипящий котел постоянно возникающих и исчезающих виртуальных частиц вещества и антивещества.) И абсолютного нуля — температуры, при которой прекращается всякое движение, — тоже не существует. Даже при приближении к этой температуре атомы продолжают слегка колебаться, сохраняя так называемую энергию нулевых колебаний.

Однако, пытаясь сформулировать квантовую теорию гравитации, мы сталкиваемся с проблемой. Квантовые поправки к теории Эйнштейна описываются частицами, которые мы называем «гравитонами». Точно так же, как фотон — это частица света, гравитон — это частица гравитации. Гравитоны настолько неуловимы, что еще никому не удавалось увидеть их в лаборатории. И все же физики уверены, что они существуют, поскольку без них не обходится ни одна квантовая теория гравитации. Однако, когда мы пытаемся проводить вычисления с учетом гравитонов, квантовые поправки оказываются бесконечными. Квантовая гравитация усеяна поправками, которые нарушают работу уравнений. Эту проблему пытались решить многие великие физики, но все они потерпели неудачу.

Так что одна из целей современной физики — создать квантовую теорию гравитации, где квантовые поправки конечны и вычислимы. Иными словами, теория гравитации Эйнштейна разрешает формирование кротовых нор, которые когда-нибудь, возможно, обеспечат нас короткими маршрутами по Галактике. Но теория Эйнштейна не может сказать, стабильны эти кротовые норы или нет. Чтобы рассчитать квантовые поправки, нам нужна теория, в которой принципы относительности сочетались бы с квантовыми принципами.

Теория струн

До сих пор главным (и единственным) кандидатом на решение этой проблемы является так называемая теория струн, которая гласит, что все вещество и вся энергия во Вселенной состоят из ультрамикроскопических струн. Каждое колебание струны соответствует определенной субатомной частице. Так что электрон на самом деле не точечная частица. Будь у нас супермикроскоп, мы увидели бы, что это вообще не частица, а колеблющаяся струна. Электрон представляется нам элементарной и точечной частицей только потому, что струна такая крохотная.

Если струна колеблется на другой частоте, она соответствует другой частице — какому-нибудь из кварков, мю-мезону, нейтрино, фотону и т. д. Вот почему физики открыли такое странное — и нелепое — число субатомных частиц. Их сотни, и все они различные колебания крохотной струны. Таким способом теория струн может объяснить квантовую теорию субатомных частиц. Согласно теории струн, движение струны вынуждает пространство-время искривляться в точности так, как предсказывал Эйнштейн, поэтому она весьма удачно объединяет теорию Эйнштейна и квантовую теорию.

Это означает, что субатомные частицы в точности похожи на музыкальные ноты. Вселенная представляет собой струнную симфонию, физика — гармония этих нот, а «мысли Бога», в которые так жаждал заглянуть Эйнштейн, — космическая музыка, пробуждающая резонанс в гиперпространстве.

Каким образом теория струн изгоняет квантовые поправки, десятилетиями преследовавшие физиков? Дело в том, что в теории струн имеется так называемая суперсимметрия. Каждой частице соответствует суперпартнер — суперчастица, она же счастица. К примеру, суперпартнером электрона является сэлектрон, партнером кварка — скварк. Так что у нас два типа квантовых поправок — те, что исходят от обычных частиц, и те, что исходят от счастиц. Красота теории струн в том, что квантовые поправки, исходящие от этих двух наборов частиц, в точности компенсируют друг друга.

Таким образом, теория струн дает нам простой и элегантный способ устранения бесконечных квантовых поправок. Они исчезают, потому что эта теория предполагает новый тип симметрии, который придает ей математическую мощь и красоту.

Возможно, для художников красота — это нечто неуловимое, что они стремятся запечатлеть в своих работах. Для физика-теоретика красота — это симметрия. Кроме того, красота абсолютно необходима при исследовании истинной природы пространства и времени. К примеру, если я беру снежинку и поворачиваю ее на 60°, снежинка остается прежней. Так калейдоскоп создает красивые узоры — в нем используются зеркала, которые многократно отражают случайный рисунок и заполняют им все 360°. Мы говорим, что снежинка и узор в калейдоскопе обладают радиальной симметрией; это значит, что они остаются собой при повороте на определенный угол.

Скажем, у меня есть уравнение, в котором содержится множество субатомных частиц, и я смешиваю их или заменяю одни на другие. Если уравнение после перераспределения частиц остается прежним, мы говорим, что оно обладает симметрией.

Сила симметрии

Симметрия не просто вопрос эстетики. Это мощный способ избавиться от несовершенства и аномалий в уравнениях. Если вращать снежинку, то можно сразу же заметить любые дефекты, сравнив «повернутый» вариант с первоначальным. Если они не одинаковы, значит, существует проблема, которую необходимо скорректировать.

Точно так же при построении квантового уравнения мы часто обнаруживаем, что теория поражена крохотными аномалиями и расхождениями. Но, если в уравнении есть симметрия, эти дефекты устраняются. Точно так же суперсимметрия заботится о бесконечностях и несовершенствах, часто обнаруживаемых в квантовой теории.

В качестве бонуса оказывается, что суперсимметрия — это крупнейшая симметрия, которую когда-либо обнаруживали в физике. Суперсимметрия может взять все известные субатомные частицы и смешать их или распределить заново, сохранив при этом первоначальное уравнение. Мало того, суперсимметрия настолько мощная штука, что она может взять теорию Эйнштейна, включая гравитон и субатомные частицы Стандартной модели, и повернуть их или поменять местами. Это дает нам приятный и естественный способ объединить теорию гравитации Эйнштейна и субатомные частицы.

Теория струн подобна гигантской космической снежинке, каждый конец которой представляет полный набор Эйнштейновых уравнений и Стандартную модель элементарных частиц. Так что каждый конец снежинки представляет все частицы Вселенной. Когда мы вращаем снежинку, все частицы Вселенной меняются местами друг с другом. Некоторые физики отмечают, что, даже если бы Эйнштейна не было и никто не тратил бы миллиарды долларов на бомбардировку атомов для создания Стандартной модели, всю физику XX в. можно было бы вывести из теории струн.

Важнее всего, что суперсимметрия взаимно нейтрализует квантовые поправки частиц и счастиц, оставляя нам конечную теорию гравитации. Это настоящее чудо теории струн. Это также дает ответ на вопрос, который чаще всего возникает в связи с теорией струн: почему Вселенная существует в 10 измерениях? Почему не в 13 или 20?

Дело в том, что число частиц в теории струн может варьировать в зависимости от размерности пространства-времени. При большем числе измерений частиц тоже больше, поскольку возникает больше способов, которыми они могут колебаться. Пытаясь компенсировать квантовые поправки от частиц при помощи квантовых поправок для счастиц, мы обнаруживаем, что такая компенсация возможна только в 10 измерениях.

Обычно математики создают новые хитроумные структуры, которые физики позже включают в свои теории. К примеру, теория искривленных поверхностей была разработана математиками в XIX в., а в 1915 г. включена Эйнштейном в теорию гравитации. На этот раз, однако, произошло обратное. Теория струн открыла путь к такому количеству новых областей математики, что математики были поражены. Молодым амбициозным математикам, которые обычно с презрением относятся к прикладным аспектам своей дисциплины, приходится осваивать теорию струн, если они хотят работать на переднем крае своей науки.

Хотя теория Эйнштейна допускает существование кротовых нор и путешествий быстрее света, при расчете стабильности этих кротовых нор в присутствии квантовых поправок уже не обойтись без теории струн.

Подведем краткий итог. Квантовые поправки бесконечны, и избавление от этих бесконечностей является одной из фундаментальных задач физики. Теория струн устраняет эти квантовые поправки, потому что в ней присутствуют два типа квантовых поправок, которые в точности компенсируют друг друга. Точным соответствием параметров частиц параметрам счастиц мы обязаны суперсимметрии.

Но, какой бы элегантной и мощной ни была теория струн, одних теоретических выкладок недостаточно — теория должна пройти окончательную экспериментальную проверку.

Критика теории струн

Картина получается правдоподобная и убедительная, тем не менее остаются серьезные претензии, которые можно предъявить к теории струн. Во-первых, поскольку теория струн (как и любая теория всего) объединяет всю физику на уровне планковской энергии, на Земле не существует установки настолько мощной, чтобы строго и достоверно ее проверить. Для такой проверки потребовалось бы создать в лаборатории крохотную новую вселенную, что невозможно при нынешнем уровне технологий.

Во-вторых, как любая физическая теория, теория струн имеет не одно решение. К примеру, уравнения Максвелла, которым подчиняется свет, имеют бесконечное число решений. Это не проблема, потому что в самом начале любого эксперимента мы конкретизируем, что именно изучаем — электрическую лампочку, лазер или телевизор, — и решаем уравнения Максвелла, имея заданные начальные условия. Но если речь идет о теории Вселенной, то каковы могут быть начальные условия? Физики считают, что теория всего должна диктовать собственное начальное состояние, они предпочли бы, чтобы начальные условия Большого взрыва каким-то образом выводились из самой теории. Теория струн, однако, не сообщает нам, какое из множества ее решений является верным для нашей Вселенной. А без начальных условий теория струн включает в себя бесконечное число параллельных вселенных (их совокупность называют мультивселенной), и каждая из них не менее достоверна, чем любая другая. Так что мы получаем ошеломляющее богатство выбора, где теория струн предсказывает не только нашу знакомую Вселенную, но, возможно, и бесконечное число других столь же возможных чужих вселенных.

В-третьих, самое поразительное, наверное, предсказание теории струн состоит в том, что Вселенная вовсе не четырехмерна, а существует в 10 измерениях. Никогда и нигде в физике мы не видели столь странного основания — теория пространства-времени, самостоятельно выбирающая для себя размерность. Это настолько странно, что поначалу многие физики восприняли это как чистую фантастику. Когда теория струн только появилась, ее способность существовать только в 10 измерениях вызывала насмешки. Нобелевский лауреат Роберт Фейнман, к примеру, поддразнивал Джона Шварца, одного из основателей теории струн, вопросом: «Ну что, Джон, в скольких измерениях мы сегодня находимся?»

Жизнь в гиперпространстве

Как известно, любой объект в нашей Вселенной можно описать тремя числами: длина, ширина и высота. Если добавить время, то получится, что четырьмя числами можно описать любое событие во Вселенной. К примеру, если я собираюсь с кем-нибудь встретиться в Нью-Йорке, я могу сказать, что мы встречаемся на углу Сорок второй улицы и Пятой авеню, на десятом этаже, в полдень. Но для математика ограничение числа координат тремя или четырьмя может показаться достаточно произвольным, поскольку ни в трехмерности, ни в четырехмерности ничего особенного нет. Почему самая фундаментальная характеристика физической Вселенной должна описываться такими ничем не примечательными числами?

Так что математики не испытывают проблем с теорией струн. Но физики, чтобы хоть как-то визуализировать высшие измерения, часто пользуются аналогиями. Ребенком я часами наблюдал жизнь Японского чайного сада в Сан-Франциско. Глядя на рыб, плавающих в неглубоком пруду, я задавался вопросом, который может прийти в голову только ребенку: «Каково это — быть рыбой?» «Какой странный мир видят перед собой рыбы», — думал я. Наверное, они считают вселенную двумерной, ведь в этом ограниченном пространстве они могут плыть только вправо или влево, но никогда вверх или вниз. Любую рыбку, которая осмелилась бы заговорить о третьем измерении за пределами прудика, сочли бы безумной. Затем я представил, что в пруду живет рыбка, которая фыркает всякий раз, когда кто-то при ней упоминает гиперпространство, ведь понятно же, что Вселенная — это только то, что можно потрогать и почувствовать, ничего больше. Потом я представил, что ловлю эту рыбку и вынимаю ее из воды. Что увидит она в «верхнем» мире? Существ, которые передвигаются без помощи плавников, — это новый закон физики. Существ, которые дышат без воды, — это новый закон биологии. Затем я представил, что выпускаю эту ученую рыбку в ее пруд, где ей придется рассказывать остальным рыбкам про невероятных существ, живущих «верхнем» мире.

Можно провести аналогию между рыбками в пруду и нами. Может быть, рыбки — это и есть мы. Если теория струн будет доказана, это будет означать, что за пределами знакомого нам четырехмерного мира существуют невидимые дополнительные измерения. Но где они прячутся? Один из вариантов ответа состоит в том, что шесть из десяти измерений «свернулись» так, что увидеть их теперь нельзя. Представьте, что вы берете лист бумаги и скручиваете его в плотную трубочку. Лист двумерен, но в результате скручивания получилась одномерная трубочка. С некоторого расстояния вы увидите только ее, но бумажный лист как был, так и остался двумерным.

Теория струн говорит, что первоначально вселенная была десятимерной, но шесть измерений по какой-то причине свернулись, создав иллюзию того, что в нашем мире всего четыре измерения. Хотя этот аспект теории струн кажется фантастичным, уже предпринимаются шаги, направленные на определение высших измерений.

Но как именно высшие измерения помогают теории струн объединить теорию относительности и квантовую механику? Пытаясь объединить гравитационные, ядерные и электромагнитные взаимодействия в единую теорию, вы обнаружите, что в четырех измерениях для этого попросту не хватает «места». Отдельные теории напоминают детали пазла, которые не стыкуются между собой. Но стоит добавить одно измерение, затем еще и еще, и место для сборки теорий более низкого уровня — деталей пазла — в единую картину находится.

Вспомните, к примеру, двумерный мир Флатландии, где человечки могут двигаться только вправо или влево, но никогда «вверх». Представьте, что существовал когда-то красивый трехмерный кристалл, который взорвался, осыпав осколками Флатландию. Постепенно, с годами, флатландцы собрали из обломков кристалла два больших фрагмента. Как они ни стараются, им никак не удается соединить эти два фрагмента так, чтобы кристалл вновь стал целым. Но однажды один флатландец выдвигает скандальное предположение: нужно сдвинуть один из фрагментов «вверх», в невидимое третье измерение, и тогда два фрагмента соединятся между собой и образуют красивый трехмерный кристалл. Ключ к воссозданию кристалла — сдвиг фрагментов через третье измерение. Аналогично два фрагмента — это теория относительности и квантовая теория, кристалл — теория струн, а взрыв, раскидавший обломки, — Большой взрыв.

Хотя теория струн достаточно аккуратно согласуется с экспериментальными данными, нам все же нужно ее проверить. Как уже говорилось, прямая проверка невозможна, но это не страшно: большая часть физики делается косвенными методами. К примеру, мы знаем, что Солнце состоит в основном из водорода и гелия, хотя никто на Солнце не бывал. Мы знаем состав Солнца, потому что анализируем его косвенными методами, глядя на солнечный свет сквозь призму, которая расщепляет его на целую кучу цветов. Изучая отдельные полоски в составе радуги (спектра), мы можем идентифицировать по ним водород и гелий. (Мало того, первоначально гелий был обнаружен не на Земле. В 1868 г., анализируя солнечный свет во время затмения, ученые обнаружили признаки присутствия в солнечной короне неизвестного элемента. Его окрестили «гелий», что означает «солнечный». Только в 1895 г. гелий удалось отыскать на Земле.)

Темная материя и струны

Теорию струн тоже можно было бы доказать при помощи различных косвенных экспериментов. Поскольку каждое колебание струны соответствует какой-нибудь частице, мы можем искать в ускорителях новые частицы, которые представляют более высокие «октавы» струны. Есть надежда, что при столкновении протонов при напряжении в триллионы вольт среди обломков на мгновение возникнет новая частица, предсказанная теорией струн. Это, кстати, помогло бы нам разобраться в одной из нерешенных проблем астрономии.

В 1960-е гг. астрономы, проверяя вращение нашей Галактики, обнаружили нечто странное. Оказалось, что она вращается так быстро, что по законам Ньютона должна была давно разлететься, однако Галактика стабильна уже около 10 млрд лет. Притом что вращалась она примерно в 10 раз быстрее, чем следовало бы по законам традиционной Ньютоновой механики.

Это породило колоссальную проблему. Получалось, что либо Ньютоновы уравнения неверны (что почти немыслимо), либо галактики окружены невидимым гало из неизвестного вещества, которое увеличивает их массу настолько, чтобы собственное тяготение могло удерживать галактики в целости. Значит, фотографии величественных галактик с красивейшими спиральными рукавами отображают не всё — в частности, на них нет гигантских гало, в 10 раз превосходящих по массе видимую часть соответствующей галактики. А поскольку на фотографиях галактик изображена только чудесная закручивающаяся спиралью масса звезд, то, что удерживает эту массу вместе (что бы это ни было), не должно взаимодействовать со светом — оно должно быть невидимым.

Астрофизики окрестили эту загадочную массу «темной материей». Ее существование вынудило их пересмотреть теории, согласно которым Вселенная состоит в основном из атомов. Сегодня у нас есть карты распределения темной материи по Вселенной. Она невидима, но искривляет звездный свет так, как должно его искривлять нечто массивное. Проанализировав искажение звездного света пространством, окружающим галактики, мы можем рассчитать при помощи компьютеров присутствие темного вещества и составить карту его распределения по Вселенной. И по этой карте видно, что большая часть суммарной массы любой галактики существует именно в этой форме.

Помимо невидимости, темная материя обладает тяготением, но подержать ее в руке невозможно. Это вещество вообще не взаимодействует с атомами (оно электрически нейтрально), оно легко пройдет сквозь вашу руку, сквозь пол и сквозь кору Земли. Оно колебалось бы где-то в недрах планеты между Нью-Йорком и Австралией, как будто Земли между ними вовсе нет, хотя удерживалось бы на месте именно тяготением Земли. Так что невидимая темная материя гравитационно взаимодействует с другими частицами.

По одной из теорий темная материя представляет собой высшие колебания суперструны. Ведущий кандидат на эту роль — суперпартнер фотона, известный как фотино, то есть маленький фотон. Фотино обладает всеми свойствами, которыми должна обладать темная материя: оно невидимо, поскольку не взаимодействует со светом, но при этом стабильно и обладает весом.

Существует несколько способов доказать эту гипотезу. Первый состоит в том, чтобы создать темную материю в Большом адронном коллайдере, столкнув между собой протоны. На краткий миг в ускорителе образуется частица темной материи. Такое событие, если бы его удалось реализовать, вызвало бы сильнейший резонанс в науке. Это означало бы, что впервые в истории найдена новая форма материи, не основанная на атомах. Если БАК окажется для этого недостаточно мощным, то, может быть, мощности МЛК уже хватит.

Есть и еще один способ доказать эту гипотезу. Земля движется в потоке невидимой темной материи. Есть надежда, что частица темной материи может столкнуться с протоном внутри ускорителя частиц, породив при этом ливень субатомных частиц, которые, в принципе, можно сфотографировать. Есть физики, которые терпеливо ждут появления сигнатуры столкновения между материей и темной материей в своих детекторах. Первому физику, обнаружившему такую сигнатуру, обеспечена Нобелевская премия.

Если темная материя будет обнаружена — неважно, в ускорителях частиц или в наземных датчиках, — мы сможем сравнить ее свойства с тем, что предсказывает теория струн. Таким способом мы получим объективные данные и сможем оценить верность теории.

Хотя обнаружение темной материи стало бы огромным шагом к подтверждению теории струн, возможны и другие доказательства. К примеру, если движением крупных объектов, таких как звезды и планеты, управляет закон всемирного тяготения Ньютона, то о силе тяготения, действующей на малых расстояниях, таких как сантиметры или метры, известно очень мало. Поскольку теория струн постулирует дополнительные измерения, значит, знаменитый Ньютонов обратно-квадратичный закон, согласно которому сила взаимного притяжения убывает пропорционально квадрату расстояния, на малых расстояниях должен нарушаться, поскольку закон Ньютона сформулирован для трех измерений. (Если бы пространство было, к примеру, четырехмерно, то сила гравитации должна была бы убывать пропорционально кубу расстояния. На данный момент никакие тесты, связанные с законом всемирного тяготения Ньютона, не дают никаких свидетельств в пользу существования высших измерений, но физики не сдаются.)

Еще одно возможное направление исследований состоит в том, чтобы отправить детекторы гравитационных волн в космос. Обсерватории LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория), базирующейся в штатах Луизиана и Вашингтон, удалось в 2016 г. зарегистрировать гравитационные волны от сталкивающихся черных дыр, а в 2017 г. — от сталкивающихся нейтронных звезд. Не исключено, что модифицированная версия космического аппарата eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna, Улучшенная космическая антенна, использующая принцип лазерного интерферометра) сможет принять гравитационные волны от мгновения Большого взрыва. Есть надежда, что при этом можно будет «отмотать пленку назад» и сформулировать какие-то гипотезы относительно эпохи до Большого взрыва. Это позволило бы проверить, пусть и приблизительно, некоторые предсказания теории струн относительно состояния Вселенной до Большого взрыва.

Теория струн и кротовые норы

Cвидетельством в пользу теории струн также могло бы стать обнаружение других предсказанных ею экзотических частиц, к примеру микроскопических черных дыр, похожих на субатомные частицы.

Физика позволяет нам рассуждать о цивилизациях, намного обогнавших нас в развитии, и строить обоснованные гипотезы на основе их уровня энергопотребления. Так, можно ожидать, что цивилизации развиваются от планетарной цивилизации I типа к звездной II типа и, наконец, к галактической III типа. Последняя, предположительно, будет исследовать Галактику при помощи зондов фон Неймана или посредством лазерного переноса сознания. Ключевой момент здесь в том, что цивилизация III типа может получить доступ к планковской энергии — точке, где пространство-время теряет стабильность и появляется шанс на сверхсветовые перелеты. Но для расчета физики сверхсветовых перелетов необходима более продвинутая по отношению к Эйнштейновой теория, и такой теорией вполне может оказаться теория струн.

Есть надежда, что при помощи теории струн мы сможем рассчитать квантовые поправки, необходимые для анализа таких экзотических явлений, как путешествия во времени и между измерениями, кротовая нора и то, что происходило до Большого взрыва. Допустим, к примеру, что цивилизация III типа умеет манипулировать черными дырами и создавать проход в параллельную вселенную через кротовую нору. Без теории струн невозможно вычислить, что произойдет, когда вы войдете в кротовую нору. Может быть, она взорвется? Или гравитационное излучение закроет ее в тот самый момент, когда вы туда войдете? Сможете ли вы пройти сквозь нее и остаться в живых, чтобы рассказать об этом? По идее, с помощью теории струн можно вычислить, сколько вам достанется гравитационного излучения при проходе сквозь кротовую нору, и ответить на эти вопросы.

Еще один вопрос, вызывающий среди физиков горячие споры: что произойдет, если войти в кротовую нору и перенестись назад во времени. Если вы после этого убьете собственного дедушку до рождения вашего батюшки, возникнет парадокс. Как вы можете существовать, если только что убили своего предка? Теория Эйнштейна, в принципе, допускает путешествия во времени (если существует отрицательная энергия), но ничего не говорит о том, как следует разрешать подобные парадоксы. Теория струн — конечная теория, в которой все можно вычислить, поэтому она, по идее, должна уметь разрешать эти головоломные парадоксы. (Мое личное мнение состоит в том, что, когда вы заходите в машину времени, река времени разделяется на два потока — линия времени расщепляется. Это означает, что вы убиваете дедушку какого-то другого человека, который выглядит в точности как ваш дедушка, но живет на другой временной линии в другой, альтернативной вселенной. Мультивселенная способна разрешить все парадоксы времени.)

В настоящее время, однако, из-за сложности математического аппарата теории струн физики пока не могут применить ее к решению этих вопросов. Это математическая, а не экспериментальная задача, так что когда-нибудь, возможно, какой-нибудь предприимчивый физик сумеет точно рассчитать свойства кротовых нор и гиперпространства. Вместо того чтобы впустую рассуждать о сверхсветовых перелетах, физик, вооруженный теорией струн, потенциально способен определить, возможны ли они. Нам придется подождать, пока эта теория будет в достаточной степени осмыслена, прежде чем пытаться разрешить этот вопрос.

Конец расселению?

Итак, существует возможность, что цивилизация III типа способна, воспользовавшись квантовой теорией гравитации, построить космические корабли для сверхсветовых перелетов.

Что это означает для человечества?

Ранее мы отмечали, что цивилизация II типа, ограниченная скоростью света, может организовать космические колонии, которые со временем отдалятся от материнской цивилизации. При этом возникнет множество различных генетических линий людей, которые когда-нибудь, возможно, полностью потеряют связь с родной планетой.

Вопрос: что произойдет, когда цивилизация III типа овладеет энергией Планка и начнет вновь налаживать контакты с отделившимися когда-то ветвями человечества?

История может повториться. Великое расселение закончилось с появлением самолетов и современных технологий, позволивших нам создать международную сеть быстрого перемещения по всему миру. Сегодня мы можем за несколько часов пересечь любой континент, а наши предки когда-то тратили на это десятки тысяч лет.

Точно так же цивилизация при переходе от II типа к III по определению имеет уже достаточно энергии, чтобы исследовать уровень планковской энергии — точку, где пространство-время становится нестабильным.

Если это дает нам возможность полетов на сверхсветовой скорости, тогда цивилизация III типа способна объединить колонии цивилизации II типа, распространившиеся по галактике. Учитывая общее человеческое происхождение, такое объединение, возможно, приведет к созданию галактической цивилизации, которую представлял себе Азимов.

Генетическое расхождение между отдельными ветвями человечества, которое может накопиться за несколько десятков тысяч лет в будущем, примерно соответствует генетическому разнообразию, накопленному человечеством с начала Великого расселения. Главное, что на этом промежутке времени мы сохранили генетическое единство. Ребенок, рожденный в одной культуре, легко может вырасти и повзрослеть в другой даже при наличии глубокой культурной пропасти

Это означает также, что археологи цивилизации III типа, интересующиеся древними человеческими миграциями, могут попытаться проследить маршруты миграций отдельных ветвей цивилизации II типа по галактике. Не исключено, что когда-нибудь галактические археологи будут искать следы древних цивилизаций II типа.

В азимовском цикле романов «Основание» герои занимаются поиском планеты предков, породившей Галактическую империю; ее название и местоположение затерялись в хаосе галактической предыстории. Принимая во внимание, что галактику населяют триллионы людей, а обитаемых планет в ней миллионы, задача представляется безнадежной. Но энтузиасты начинают обследовать самые древние планеты и находят руины первых колоний. Люди оставляли эти планеты из-за войн, болезней и других напастей.

Аналогично цивилизация III типа может вырасти из цивилизации II типа и попытаться отследить различные ветви человечества, исследованные столетиями ранее при помощи досветовых кораблей. Так же, как нынешнюю цивилизацию обогащает присутствие в ней различных культур со своей историей и своими перспективами, цивилизацию III типа, возможно, будет обогащать взаимодействие множества разошедшихся цивилизаций, появившихся в эпоху цивилизации II типа.

Создание сверхсветовых космических кораблей может сделать реальной мечту Азимова об объединении человечества в единую галактическую цивилизацию.

Как сказал сэр Мартин Рис: «Если люди сумеют избежать самоуничтожения, нас ожидает постчеловеческая эпоха. Жизнь с Земли могла бы распространиться по всей Галактике, обретя сложность, намного превосходящую все, что мы можем себе представить. Наша маленькая планета — плавающая в пространстве бледно-голубая точка — могла бы стать самым важным местом во всей Галактике. Первые межзвездные путешественники с Земли исполнили бы миссию, которой суждено эхом разнестись по всей Галактике и за ее пределами».

Но со временем любой высокоразвитой цивилизации придется столкнуться с поистине экзистенциальной проблемой, которой станет конец самой Вселенной. Может ли высокоразвитая цивилизация с ее продвинутыми технологиями избежать гибели, ожидающей все вокруг? Возможно, единственной надеждой для разумной жизни в подобных обстоятельствах является переход на новый уровень и превращение в цивилизацию IV типа.

* * *

Кто говорит, мир от огня

Погибнет, кто от льда.

А что касается меня,

Я за огонь стою всегда.

Роберт Фрост (пер. М. Зенкевича)

Вечность — это чертовски долго, особенно под конец.

Вуди Аллен

Назад: 12. В поисках внеземной жизни

Дальше: 14. Покидая Вселенную