Paradoxul lui Fermi si ecuatia lui Drake.

„Singur pe lume” (Sans famille) este un roman celebru al lui Hector Malot, care, de la publicarea lui în 1878, a exemplificat înduiosator drama unui copil orfan. Singuri în Univers si condamnati sa ramânem asa este conditia dramatica a oamenilor de pe aceasta planeta.

Explicatia acestei conditii-limita se regaseste partial în paradoxul lui Fermi si Ecuatia Drake.

Paradoxul lui Fermi

Pamântul este o planeta tipica, rotindu-se în jurul unei stele tinere si tipice. Exista miliarde de stele în galaxie, care sunt cu miliarde de ani mai batrâne decât Soarele nostru. Date fiind vârsta universului  (~13,8 miliarde ani) si viteza cu care propria noastra tehnologie avanseaza, ne-am fi asteptat ca forme oarecare de viata inteligenta sa se dezvolte pe unele planete. Iar o parte dintre aceste civilizatii ar fi putut dezvolta calatorii interstelare, o tehnologie pe care noi, cei de pe planeta Pamânt, o experimentam în prezent.Paradoxul lui FErmi si Ecuatia lui Drake

În timp ce distantele interstelare sunt uriase, probabil prea lungi pentru a putea fi parcurse de fiinte cu o durata de viata limitata, ar fi de asteptat din partea unei civilizatii avansate sa construiasca roboti cu auto-reproducere cu care sa colonizeze Calea Lactee. Ideea unei masini cu auto-reproducere a fost propusa de matematicianul John von Neumann în anii 1950 si are în vedere un dispozitiv care ar putea 1) sa îndeplineasca sarcini în lumea reala si 2) sa-si faca singur copii (precum bacteriile). Un exemplu ar fi sondele Bracewell-von Neumann – roboti înzestrati cu inteligenta artificiala (AI) si cu scheme de  auto-reproducere.

Atasata la un sistem simplu de propulsie, de exemplu Bussard RamJet, o astfel de sonda ar putea calatori printre stele cu o viteza relativ mica. Când ajunge pe un sistem-target, sonda se auto-reproduce. Numarul de sonde auto-reproduse ar creste exponential, iar galaxia noastra ar putut fi explorata în 4 milioane de ani. Chiar daca acest interval de timp este mult mai mare decât vârsta civilizatiei terestre, sa nu uitam ca galaxia noastra are o vechime de 10 miliarde ani. Asta înseamna ca civilizatiile extraterestre inteligente (ETI), daca ar fi existat, ar fi putut explora Calea Lactee de peste 250 ori si, în cele din urma, colonizarea galaxiei ar fi putut avea loc în câteva milioane de ani.

Cu alte cuvinte, acele civilizatii extraterestre ar fi trebui sa colonizeze Pamântul sau macar sa-l fi vizitat. Dar nicio astfel de fiinta nu a fost observata si nici macar semne ale trecerii lor pe aici nu au fost depistate. Aceasta situatie l-a intrigat pe Enrico Fermi, unul din parintii primei bombe atomice.

sondele Bracewell-von Neuman
sondele Bracewell Von Neumann -prototip

În 1950, pe fondul unor rapoarte recente despre OZN-uri, Fermi discuta cu mai multi colegi despre posibilitatea existentei unei multitudini de civilizatii cosmice. El a contrastat aceasta posibilitate cu lipsa socanta a unor dovezi convingatoare ale vizitelor extraterestrilor si a oricarui semn de inteligenta cosmica (nava sau aparate de investigare) pe Pamânt. Întorcându-se catre Edward Teller, parintele bombei cu hidrogen, Fermi l-a întrebat: So, where is everybody?

Discutiile ulterioare, reluate de multi alti oameni de stiinta, au creat ceea ce se numeste astazi paradoxul lui Fermi sau silentium universi (linistea universului).

Un aspect adiacent acestui paradox este starea (nivelul) civilizatiilor inteligente. Pentru exemplificare, sa presupunem ca ar exista o ipotetica planeta X, cu o vârsta de 7 miliarde ani. Daca planeta X ar avea o istorie similara cu a Pamântului, unde s-ar situa acum în raport cu noi? Tehnologia si nivelul de cultura ale unei civilizatii cu numai 1.000 de ani  înaintea noastra ar putea fi la fel de socanta pentru noi cum ar fi lumea noastra pentru societatea medievala. O civilizatie cu 1 milion înaintea noastra ar fi le fel de incomprehensibila pentru noi precum cultura noastra pentru cimpanzei. Si Planeta X este cu 2,7 miliarde de ani înaintea noastra…

Devine, astfel, necesar sa estimam în ce situatie se gasesc toate civilizatiile extraterestre avansate. În 1964, astrofizicianul sovietic Nikolai Kardasev a propus o schema utila pentru a masura nivelul de dezvoltare a acestor civilizatiilor pe baza consumului de energie.Paradoxul-lui-Fermi

O civilizatie Tip I este similara cu a noastra: una care consuma toate resursele energetice ale planetei pe care se gaseste. Noi nu suntem chiar o civilizatie Tip I, ci undeva pe aproape (În 2010, eram Tip 0,72. Vom deveni, probabil, Tip I complet în urmatorii 100 -200 ani).

O civilizatie Tip II ar consuma resursele energetice ale unei stele (un exemplu teoretic a fost propus de Profesorul Freeman J. Dyson în 1960: sfera Dyson).

O civilizatie Tip III ar utiliza resursele energetice ale unei întregi galaxii. O astfel de civilizatie ar fi usor de detectat, chiar la distante uriase. În plus, daca civilizatia de pe Planeta X ar fi similara cu a noastra si daca ei vor fi reusit sa supravietuiasca pâna la nivelul Tipului III, ne putem gândi ca, probabil, au gasit o cale sa devina experti în calatoriile interstelare pâna acum si, de ce nu, sa colonizeze întreaga galaxie.

Si atunci, Unde sunt ei?

De la formularea paradoxului lui Fermi, au existat multe încercari de a-l rezolva. Literatura de specialitate cuprinde peste 50 de ipoteze care, prin diverse combinari, sporesc mult numarul explicatiilor posibile. O posibila clasificare (fara a fi exhaustiva) a solutiilor propuse ar fi urmatoarea:

I. Ei sunt aici
  • Ei au fost aici si au lasat dovezi
    • OZN-uri, artefacte, astronauti ETI.
    • Problema: Nu exista nicio dovada pentru prezenta ETI.
  • Ei sunt noi
    • Oamenii ar fi descendentii unei civilizatii ETI vechi.
    • Problema: Unde sunt extraterestrii originali? Unde sunt toti ceilalti ETI?

II. Ei exista dar nu au comunicat înca cu noi

  • Ei nu au avut timp sa ne contacteze. Civilizatiile inteligente sunt prea separate în timp si spatiu pentru a putea comunica
    • Viteza luminii încetineste nivelele de comunicare, astfel încât calatoria spatiala devine relativ lunga. Mesajul ETI poate ca nu ajuns înca la noi.
    • Problema: Galaxia exista de multe miliarde de ani. Daca o singura civilizatie ET s-ar fi format cu câteva milioane ani înaintea noastra, galaxia ar fi umpluta cu sonde Bracewell-von Neumann.Stele-si-galaxii-pe-cer
  • Ei semnalizeaza, dar noi nu stim cum sa ascultam
    • Radiatia electromagnetica (EM), undele gravitationale, particulele exotice sunt toate exemple de metode de semnalizare.
    • Oamenii nu au cautat suficient de mult timp sau nu asculta corect.
    • Problema: Poate ca ei folosesc metode pe care noi nu le cunoastem înca, dar daca sunt multe civilizatii, cineva ar trebui sa foloseasca radiatia EM (unde radio).
  • Ei nu doresc sa comunice cu noi
    • Probabil ca extraterestrii nu au nici un interes sa converseze cu fiinte inferioare.
    • Problema: Cu milioane de civilizatii posibile, cineva ar putea fi curios sa comunice cu Terra.
  • Catastrofele civilizationale
    • Civilizatiile au numai o durata de existenta limitata. Toate sunt moarte în prezent. Civilizatiile tehnologice se pot auto-distruge, de regula, înainte sau imediat dupa ce dezvolta comunicatii radio sau tehnologia zborurilor spatiale. Am în vedere razboaiele nucleare si biologice, schimbarile climatice induse artificial, experimente fizice prost concepute si executate, catastrofa nanotehnologica, o inteligenta artificiala scapata de sub control sau o catastrofa malthusiana dupa deteriorarea ecologica a planetei.
    • Viata este distrusa periodic prin catastrofe naturale.

III. Ei nu exista

  • Noi suntem primii, viata este noua în galaxie, evolutia dureaza mult timp. Civilizatia umana este singulara, nicio alta civilizatie nu s-a format între timp. Daca unicitatea Pamântului a fost istoric presupusa pe baze filosofice sau religioase, ipoteza de mai sus foloseste argumente cuantificabile si statistice pentru a dovedi ca viata multicelulara este extraordinar de rara în univers, pentru ca planetele de tip terestru sunt extrem de rare.
    • Problema: Soarele este o stea medie; daca alte stele s-au format cu un milion de ani înaintea noastra, atunci ei (ETI) ar fi cu un milion de ani mai avansati tehnologic decât noi.
  • Planetele cu conditii optime (Goldilocks situation – zonele habitabile, distanta propice fata de stea pentru a avea apa lichida) sunt rare. Sistemul Pamânt/Luna este unic. Galaxia este un loc periculos (explozii de radiatii gama, impacturi produse de asteroizi etc.)
  • Viata este rara. Aparitia vietii este un fenomen rar, poate singular. Combinatia de inteligenta cu capacitatea de a produce unelte este rara. Limbajul este unic pentru oameni. Tehnologia si stiinta sunt rare. Este, de asemenea, posibil ca inteligenta sa fie comuna, dar nu si civilizatia industriala. De exemplu, aparitia si dezvoltarea industrialismului pe Pamânt a fost produsa de prezenta unor surse convenabile de energie – combustibilii fosili. Daca astfel de surse energetice sunt rare sau nu exista undeva, ar fi mult mai dificil pentru o inteligenta extraterestra sa avanseze tehnologic pâna la punctul când ar putea comunica cu noi.sonda-espacial-dawn

Aceste abordari ale paradoxului lui Fermi au condus la ipoteza  Marelui Filtru, care stipuleaza ca din moment ce nu s-au observat civilizatii extraterestre, în ciuda numarului urias de stele, atunci trebuie sa existe, pe drumul dintre aparitia vietii si Tipul III de civilizatie, un fel de  „zid” de care toate sau aproape toate manifestarile vietii se lovesc. În functie de locul în timp unde apare Marele Filtru, civilizatia noastra poate fi rara (Marele Filtru se gaseste în spatele nostru), sau prima (Marele Filtru n-a apucat înca sa functioneze pentru ca conditiile necesare dezvoltarii vietii inteligente sunt foarte recente) sau condamnata la disparitie (Marele Filtru este înaintea noastra, în viitor. Cauze posibile pentru disparitie: un cataclism natural; tendinta spre auto-distrugere a oricarei civilizatii inteligente).

În concluzie, solutiile sugerate pentru rezolvarea paradoxului lui Fermi se reduc la: 1) este dificil pentru viata sa înceapa si sa evolueze, pentru ca procesul în sine este complicat sau nu gaseste conditiile necesare; sau 2) civilizatiile avansate se auto-distrug într-un timp relativ scurt.

În prezent, cea mai mare problema în rafinarea si rezolvarea solutiilor prezentate este amploarea imensa a cautarii semnalelor radio provenind de la extraterestri, resursele limitate pe care le are Institutul SETI (Search of Extraterrestrial Intelligence) pentru aceasta cautare si sensibilitatea limitata a instrumentelor moderne de ascultare.

Ecuatia Drake

În noiembrie 1961, în cadrul Green Bank Conference, Profesorul Frank Drake (co-fondator al Institutului SETI împreuna cu Profesorul Carl Sagan) a propus o formulare matematica pentru a rezolva paradoxul lui Fermi.

Ecuatia Drake calculeaza numarul mediu de civilizatii avansate (N) cu care o comunicare radio ar putea fi posibila, considerând produsul a sapte variabile:

Problema fundamentala a ecuatiei Drake este ca ultimii patru termeni ( fractiunea de planete cu viata, sansele ca viata sa devina inteligenta, sansele ca viata inteligenta sa devina detectabila si intervalul de detectabilitate a civilizatiilor) sunt complet necunoscute. Noi avem un singur exemplu (Terra), ceea ce exclude orice estimare statistica; si chiar exemplul pe care îl avem este supus unei puternice prejudecati antropice.

paradoxul lui Fermi si ecuatia lui drake (2)
Posibile planete locuibile

Ecuatia Drake a fost folosita atât de optimisti, cât si de pesimisti, cu rezultate extrem de diferite. Profesorul Carl Sagan, pe baza unor numere optimiste, a sugerat în 1968 ca exista un milion de civilizatii comunicante în Calea Lactee. Utilizând numere pesimiste, John D. Barrow si Frank J. Tipler au ajuns la concluzia ca numarul mediu de civilizatii avansate din galaxia noastra este mult mai mic decât unu.

Înca de la prezentarea ecuatiei sale, Drake a atras atentia ca primii sase termeni au o influenta relativ neînsemnata asupra lui N. L este esential. Astfel, L devine parametrul cheie din ecuatia Drake: cât timp o civilizatie, care construieste rachete si trimite masini espresso microgravimetrice în spatiu, poate persista. Daca L ar fi mare (d. ex., peste 10.000 ani) atunci civilizatiile pe cale de înflorire ar putea exista si, în cele din urma, întrepatrunde unele cu altele, hibridizând culturile lor de-a lungul unor ani-lumina.

Daca exista o multime de planete capabile sa gazduiasca viata, si daca viata produce inteligenta pe una din ele, si daca fiintele inteligente de pe acea planeta descopera cum sa comunice cu fiintele inteligente de pe alta planeta, atunci faptul ca noi nu am auzit nimic de la nimeni sugereaza ca astfel de civilizatii nu dureaza.

De retinut ca longevitatea L se refera la perioada de timp în care o civilizatie avansata emite si receptioneaza semnale radio. Ca exemplu, sa ne uitam la propria noastra civilizatie. Noi am avut emisii radio începând din ultima suta de ani, ceea ce ne-ar face sa credem ca L este cel putin egal cu 100. Dar noi devenim pe zi ce trece tot mai „tacuti” radiofonic, asa ca daca cineva ne-ar cauta cu unde radio, s-ar putea sa nu gaseasca prea mult.viata-in-afara-planetei-pamant-si-a-sistemului-solar-31-728

În perioada razboiului rece, SUA si Uniunea Sovietica aveau multe radare militare puternice pentru detectarea rapida a unor eventuale rachete balistice intercontinentale. Acele instalatii ar fi putut fi „vazute” de pe stelele din vecinatatea noastra, folosind echipamente similare celor pe care le foloseam noi atunci. Daca tehnologia anilor 1960-70 s-ar fi mentinut si dezvoltat, Pamântul ar fi avut o vizibilitate practic permanenta.

Dar lucrurile nu au evoluat în aceea directie,  mai ales din 1990 încoace, când Razboiul Rece s-a încheiat. Trecerea de la televiziunea analogica la cea digitala ne-a facut mult, mult  mai putin detectabili. Astazi trimitem mult mai mult semnal prin cablu si fibre optice decât transmiteam alta data. Iar majoritatea transmisiilor radio actuale sunt aproape imposibil de distins de zgomotul radio din spatiul cosmic. Paradoxal, rezulta ca o civilizatie mai avansata tehnologic va fi probabil mai dificil de detectat decât una tânara.

Pe Pamânt, dezvoltarile tehnologice din prima jumatate a secolului al XX-lea s-au propagat si multiplicat rapid în deceniile urmatoare pe întreaga suprafata a globului, determinând cresteri radicale în productivitatea agriculturii, descoperiri epocale în medicina, explozia populatiei (population bomb), cresterea standardelor de viata. Simultan, ratele de extinctie ale speciilor naturale au crescut alarmant datorita distrugerii habitatelor si conflictelor ecologice. Retelele de comunicatii prin fibre optice au acoperit vaste teritorii, iar cerul este plin de sateliti orbitali. Aerul însusi este umplut cu zumzaiala electromagnetica produsa  de radio, televiziuni si telefoane mobile, dar si cu cantitati crescute de dioxid de carbon generat de arderea masiva a combustibililor fosili. Revolutii rapide, succesive, în tehnologia informationala au transformat computerele în puternice instrumente interconectate, ubicui si personale.

Ce vor însemna aceste schimbari rapide pentru viitorul culturii si lumii noastre ramâne de vazut. Exista temeri ca ne aflam la începutul unei ere de schimbari din ce în ce mai radicale, a aparitiei unei „singularitati tehnologice” în care cresterea exponentiala a puterii si complexitatii computerelor ar transforma profund, cel putin, întreaga noastra planeta. Unele personalitati de calibru (Elon Musk, Stephen Hawking ori Bill Gates) au vorbit cu teama despre computerele dotate cu AI ca despre posibile zeitati constiente si atotputernice. Altii au speculat ca ar putea aparea o noua vârsta de aur a prosperitatii si explorarii, când oamenii ar putea calatori cu masinile lor inteligente prin sistemul solar si, poate, într-o zi, chiar catre alte stele.

Sunt sceptic în legatura cu parasirea planetei si mutatul în alta casa. Calatoria interstelara ridica multe probleme. Ca sa plasezi o suta de oameni pe o orbita în jurul unei stele din apropiere costa aproximativ de un milion de ori mai mult decât plasarea lor pe o orbita din sistemul nostru solar. Adica, ar trebui sa fim extrem de bogati ca sa ne putem permite aceasta aventura.nave1

Sa presupunem ca exista doua colonii la o distanta de zece ani-lumina una de alta – probabil, o distanta tipica între planetele habitabile. Problema este ca nu se poate zbura mai repede de o zecime din viteza luminii. La viteze mai mari decât aceasta, daca lovesti un obiect oarecare, cantitatea de energie eliberata se apropie de cea a unei bombe nucleare. Deci, suntem limitati la circa 10% din viteza luminii – dar chiar si aceasta viteza este imposibila astazi pentru noi. În aceste conditii, o calatorie între cele doua colonii ar fi de cel putin o suta de ani. Distantele, timpul si vitezele sunt înfricosatoare, dar cel mai înspaimântator este costul prohibitiv. Sa presupunem ca folosim ceva de marimea unui Boeing 737 – cel mai mic obiect zburator pe care îl putem folosi pentru o expeditie rezonabila ca numar de persoane. Daca acel obiect va zbura cu o zecime din viteza luminii, energia necesara ar fi egala cu 200 ani de productie actuala de electricitate a Statelor Unite.  Si este vorba doar de o calatorie dus. Pentru întoarcere, nu stiu de unde si cum s-ar putea procura energia necesara. Suntem, asadar, condamnati sa ramânem în sistemul solar.

Concluzii

Cinci miliarde de ani de singuratate este o descriere tragica, dar apta a situatiei noastre. Precum eroul lui Hector Malot, omenirea traieste ca un orfan singuratic pe o mica bucata de roca în mijlocul unui univers dezolant, tacut si neospitalier.

Nu avem decât planeta Pamânt, pe care trebuie s-o protejam si s-o pastram cu grija, si pe semenii nostri. Poate ca niciodata nu vom mai gasi alte lumi sau alte fiinte inteligente la fel de primitoare ca aici. Si chiar daca le-am gasi, nu avem deocamdata nicio cale viabila de a calatori pâna acolo. Pe aceasta planeta unica, aici si acum, trebuie sa înceapa toate visurile noastre despre viitor…

Bibliografie selectiva

Frank Drake si Dava Sobel, Is Anyone Out There? The Scientific Search for Extraterrestrial Intelligence, Delacorte Press, 1992.

Giuseppe Cocconi and Philip Morrison, Searching for Interstellar Communications, Nature, vol. 184 (1959), pp. 844–46.

Hans Moravec, Mind Children: The Future of Robot and Human Intelligence, Harvard University Press, 1988.

Iosif S. Shklovskii si Carl Sagan, Intelligent Life in the Universe, Holden-Day, 1966.

Lee Billings, Five Billion Years of Solitude: The Search for Life Among the Stars, Penguin Group, 2013.

Paul Davies, The Eerie Silence: Renewing Our Search for Alien Intelligence, Houghton Mifflin Harcourt, 2010.

Paul Gilster, Centauri Dreams: Imagining and Planning Interstellar Exploration,Springer, 2004.

Peter D. Ward si Donald Brownlee, Rare Earth: Why Complex Life Is Uncommon in the Universe, Springer, 2000.

Ronald N. Bracewell, The Galactic Club: Intelligent Life in Outer Space, W. H. Freeman, 1974.

Walter Sullivan, We Are Not Alone: The Continuing Search for Extraterrestrial Intelligence, rev. ed., Dutton, 1993.

Bogdan

Per aspera ad astra