С незапамятных времен людей интересовало устройство мира, в котором мы живем. Подходящих приборов долго не было, но любопытных это не останавливало. Кто-то скажет, что нужную технику до сих пор не изобрели: пусть за последнее столетие наши представления о Вселенной стали намного точнее, она все еще хранит много тайн. Что происходит в черных дырах? Что такое темная энергия и темная материя? Наконец, существуют ли другие вселенные и можно ли их как-то засечь? Этими проблемами занимается физик-теоретик из Йельского университета Приямвада Натараджан.
В книге "Карта Вселенной. Главные идеи, которые объясняют устройство космоса" Натараджан рассказывает, как менялись космологические идеи, чего это стоило людям, которые их выдвинули, и какие колоссальные усилия прилагаются теперь, чтобы ответить на все новые вопросы в астрофизике. Один из этих вопросов возник задолго до появления космических телескопов и детекторов нейтрино под ледниками в Антарктиде — есть ли жизнь в других мирах. Но инструменты для того, чтобы хотя бы попытаться дать надежный ответ, появились в распоряжении ученых всего несколько десятилетий назад.
Что заставляло и заставляет людей искать обитаемые миры и свидетельства существования разумной жизни где-то в глубинах космоса? Прагматические проблемы, связанные с такими поисками, приобрели особую важность в 1960-х гг. в связи с проектом "Поиск внеземного разума" (Search for Extraterrestrial Intelligence, SETI), участники которого пытались установить прямую радиосвязь с другими планетными системами в микроволновом диапазоне. Самый первый целенаправленный поиск внеземных цивилизаций был проведен на телескопе Green Bank в Национальной обсерватории радиоастрономии (штат Западная Виргиния). В 1960 г. 29-летний долговязый постдок Фрэнк Дрейк первым попытался использовать новый телескоп с радиоантенной диаметром 26 м для регистрации межзвездного послания от планеты, вращающейся вокруг звезды, расположенной примерно в 12 световых годах от Солнца. На этом расстоянии не было зарегистрировано ни одной экзопланеты. Никто и не ожидал, что поиск окажется успешным. Доказывая возможность такого перехвата сигналов, амбициозный Дрейк предложил своим наблюдателям периодически направлять телескоп на две ближайшие к Солнцу звезды — Тау Кита и Эпсилон Эридана — для улавливания сигналов, предположительно направленных от этих звезд к Земле, и назвал попытку "Проект Озма" в честь принцессы сказочной Страны Оз в известной книге Л. Фрэнка Баума. Хотя при осуществлении проекта не удалось зарегистрировать ничего, кроме радиошумов межзвездного пространства, он вдохновил целое поколение на серьезное отношение к возможности связи с инопланетянами. В 1982 г. в Голливуде был снят блокбастер "Инопланетянин" (Е. Т.), один из самых кассовых фильмов 1980-х гг., который разжег и укрепил интерес общественности к этой теме. Институт SETI до 1993 г. в разной степени финансировался федеральным правительством США. После прекращения этой поддержки зарегистрировался в качестве некоммерческой организации и продолжал функционировать исключительно на основе частных пожертвований. Пол Аллен, один из основателей Microsoft, профинансировал работу — названную его именем решетку радиотелескопов в Институте SETI в местечке Маунтин-Вью (штат Калифорния). Широкую общественную поддержку получил сайт SETI@home, где осуществляется научный эксперимент с использованием большого числа бездействующих персональных компьютеров, подключенных к интернету в частных домах. Это мероприятие стало одним из первых краудсорс-проектов в рамках концепции "Гражданская наука" (Citizen Science). Вы можете участвовать в ней, загрузив свободно доступную программу, которую можно установить дома на свой персональный компьютер, для анализа данных с радиотелескопа, полученных в проекте SETI, всякий раз, когда ваш компьютер простаивает и не используется для других задач.
Помимо пламенной веры в проект поиска жизни в далеком космосе Дрейк стал известен существенным вкладом в количественную оценку вероятности космических контактов вообще. Не дожидаясь обнаружения экзопланет аппаратурой космического телескопа Kepler, Дрейк осуществил теоретический расчет возможности контакта. Его оценка, названная формулой Дрейка, была предложена на конференции, созванной в 1961 г. специально для решения одной проблемы — можно ли количественно оценить шансы обнаружения инопланетной жизни в рамках программы SETI. В сотрудничестве с Национальной академией наук США он организовал неформальную встречу с участием многих известных ученых, включая нескольких нобелевских лауреатов по химии и медицине и физика Филипа Моррисона (кажется, единственным участником конференции без титулов был молодой постдок Карл Саган).
Всего за несколько дней до встречи Дрейку удалось сформулировать и определить основные члены его ставшего знаменитым уравнения. Он выделил главные компоненты, необходимые для определения числа развитых цивилизаций, существующих в нашей Галактике. Дрейк начал с определения вероятности различных факторов, относящихся к возникновению цивилизаций. Первым фактором является скорость возникновения обитаемых планет (их можно назвать колыбелями цивилизаций). Лишь некоторые из них могут затем стать приютом для жизни и в будущем даже привести к возникновению разумных и чувствующих существ. Затем он учел долю цивилизаций, способных развиться до уровня технологий и посылать сигналы через огромные межзвездные расстояния, и умножил эту величину на среднюю продолжительность жизни таких сообществ. Произведение всех этих "если", то есть многих вложенных условий в уравнении Дрейка, позволяет оценить число всех развитых цивилизаций, которые могут быть обнаружены в нашей Галактике Млечный Путь. Используя целую серию сложных и спорных аргументов, связанных с рассеянными в литературе соответствующими данными об успешности формирования звезд и планет, Дрейк пришел к выводу, что это число зависит, главным образом, только от одного фактора, а именно от продолжительности жизни развитых цивилизаций. Вероятность межзвездного контакта цивилизаций зависит также от совпадения времени их существования, поскольку обе цивилизации должны дожить и развиться примерно до одинакового технологического уровня к моменту контакта. С наибольшей вероятностью мы можем обнаружить во Вселенной обитаемые миры с развитой технологической цивилизацией. Поиск контакта следует начать с регистрации максимально возможного числа экзопланет, а затем выделить из них пригодные для развития жизни планеты и начать поиск признаков жизни. В 2018 г. (запуск перенесен на март 2021 г. — Прим. ред.) НАСА планирует запустить космический телескоп имени Джеймса Уэбба (James Webb Space Telescope, JWST), который наряду с решением других научных задач должен продолжить поиск и идентификацию пригодных к развитию жизни планет и планетных систем на основе наследия миссии спутника Kepler.
В то же время обсуждается и изучается проблема определения условий, необходимых для возникновения жизни. При этом ожесточенные споры возникают даже относительно признаков таких условий. Этот вопрос очень сложен, поскольку ответ на него связан с терминологией и особенностями научно-дисциплинарного подхода. Известный астроном и историк науки Стивен Дж. Дик в своей книге "Жизнь в других мирах" (Life on Other Worlds) проследил историю споров об определении жизни на протяжении всего XX в. Среди прочего он обсуждает статью биолога-эволюциониста Джорджа Гейлорда Симпсона, написанную в 1964 г., когда ученые США начали готовиться к поиску жизни на Марсе. В статье, озаглавленной "Отсутствие превосходства гуманоидов" (The Nonprevalence of Humanoids), Симпсон доказывает, что формы жизни в других условиях вовсе не обязаны напоминать привычные нам земные формы. Ранее биолог Гарольд Блюм назвал такую точку зрения оппортунистической, а обратную к ней научную позицию — детерминистической. В соответствии с детерминистскими доводами эволюция жизни всюду во Вселенной происходит в одинаковой последовательности, со временем увеличивая сложность, а при оппортунистическом подходе формы жизни могут развиваться по множеству различных направлений. Симпсон отмечает, что большинство экзобиологов придерживаются детерминистской точки зрения (хотя она не имеет эмпирических обоснований правоты), в то время как эволюционные биологи предпочитают оппортунистический подход, опирающийся на большое число данных по ископаемым и окаменелостям на нашей планете. Симпсон доказывает, что жизнь, зародившаяся где-то в далеком космосе, не должна обязательно проходить весь известный нам маршрут эволюции от простейших до человека.
Основное определение жизни (с которым согласится большинство биологов) сводится к тому, что живые организмы отличаются способностью к самостоятельному росту и самовоспроизведению. Однако даже применимость этого определения остается неясной для кристаллов, не говоря уже об обширных серых зонах в самой биологии. Например, непонятно, следует ли считать живыми вирусы, которые имеют свой собственный геном, но не способны воспроизводить себя самостоятельно. Похоже также, что приведенное выше определение не включает в себя так называемые прионы, то есть одиночные белки, способные к репликации и вызывающие у организмов-хозяев некоторые заболевания, например губчатую энцефалопатию (коровье бешенство). Можно также отметить, что среди ученых существует согласие относительно того, что бактерии представляют собой наиболее рудиментарную форму жизни.
Предметом споров остается не только определение жизни, но и критерии ее возникновения. Именно сейчас в связи с открытием экзопланет вновь возникла проблема определения необходимых и достаточных условий детектирования их возможной обитаемости. Первоначально ученые полагали, что для доказательства наличия жизни на планете достаточно просто обнаружить кислород в ее атмосфере, однако сейчас уже стало ясно, что необходимые для жизни химические элементы могут возникать в результате многих не биологических процессов. Кроме того, даже и на нашей Земле жизнь возникла и развивалась очень длительное время практически без присутствия этих газов в атмосфере. Поэтому даже надежное обнаружение озона и кислорода в атмосфере каких-либо планет не является достаточным признаком существования жизни на этих планетах. Между тем множатся доказательства в пользу того, что наличие некоторых соединений и элементов, таких как двуокись углерода, метан и аммиак, традиционно считающихся "строительными кирпичиками" жизни на Земле, реально может ассоциироваться с возникновением жизни и в других уголках космоса. К настоящему времени не удалось обнаружить признаки жизни на ближайшем к нам Марсе даже после спуска на его поверхность сложного марсохода, способного анализировать образцы почвы планеты с использованием масс-спектрометра.
Поиски потенциально пригодных для жизни экзопланет продолжаются, и к настоящему времени уже разработаны некоторые достаточно эффективные методики их обнаружения. Большой вопрос состоит в том, сколько еще существует землеподобных планет, которые могут быть открыты. После этого уже ставится вопрос об их обитаемости и в какой форме могла бы быть жизнь на этих планетах. На основе данных, полученных за время работы космического телескопа Kepler, запущенного НАСА в 2013 г., можно считать, что примерно 22% звезд типа Солнца могут содержать в своих системах планеты, похожие на Землю. Публикация этих данных, разумеется, встревожила некоторые средства массовой информации. Даже обычно серьезная газета The New York Times писала по этому поводу следующее: "Известные шансы, что что-то или кто-то живет далеко-далеко от Земли, повысились в понедельник, выйдя за пределы самых смелых мечтаний астрономов". "Мы не одиноки" — так назвала свой материал на эту тему газета USA Today, как бы отвечая на вопрос "Одиноки ли мы во Вселенной? Скоро мы это узнаем", которым озаглавил статью, опубликованную в газете The Guardian за год до этого, известный специалист Мартин Рис.
Когда мы можем реально получить ответ на этот вопрос? Некоторую тревогу вызывает так называемый парадокс Ферми, получивший свое название в честь знаменитого итальянского физика-эмигранта — отца контролируемого деления атомного ядра, создателя атомной бомбы в США во время Второй мировой войны. Если мы допустим, что инопланетяне не должны быть непременно похожи на земные формы жизни, то должно быть много других мест в нашей Галактике и Вселенной, где существует жизнь. Однако мы не встречаем пришельцев. В этом и состоит парадокс Ферми. Еще в 1975 г. Майкл Харт в журнале Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society опубликовал статью, в которой доказывал, что в настоящее время на Земле нет представителей каких-нибудь разумных форм инопланетной жизни, и сделал вывод, что "…есть серьезные свидетельства того, что мы являемся первой цивилизацией в нашей Галактике". Его рассуждения были основаны на оценке временных масштабов. Действительно, если бы существовала внеземная жизнь, тогда наши инопланетные соотечественники уже были бы здесь, а так как их здесь нет, то их не существует. Как и в случае с оценками в уравнении Дрейка, на самом деле все зависит от времени.
Существует резкое разделение в отношении, мировоззрении и ожиданиях между многими биологами и многими астрономами, которые могут быть привязаны к своим взглядам на уникальность Земли. Большинство астрономов, из наиболее известных — Саган и Дрейк, обычно полагают, что Земля не обладает никакой особенностью или специфичностью в самом широком смысле этого слова. Саган попросту считает гипотезу об уникальности нашей планеты ошибочной, а парадокс Ферми объясняет тем, что все внеземные цивилизации развиваются очень медленно и поэтому пока не установили контакт с нами. Большинство биологов уверены в уникальности жизни на Земле, возможно вследствие того, что богатство и сложность постоянно наблюдаемых ими проявлений жизни убеждают их в том, что наша планета является весьма выдающейся и специфичной, вследствие чего она и стала местом зарождения разумной жизни (хотя ее развитие и включало элементы случайности). Стефан Джей Гулд произнес свою известную фразу о "магнитофонной ленте" жизни и эволюции, которая может перематываться и проигрываться неоднократно, но из нее совершенно неясно, почему конечным продуктом эволюции должен стать именно человек. Действительно, как отмечал эволюционный биолог Теодосиус Добжански, из более чем 2 млн биологических видов, возникших на Земле, лишь один сумел создать язык, построить и развить культуру, а затем выработать концептуальные понятия личности, жизни и смерти. Поэтому Добжански считал абсурдной мысль о том, что любая жизнь, возникшая где-то, должна обязательно приводить к возникновению рационально мыслящих существ.
Крайний оптимизм Сагана по отношению к возможности существования разумной внеземной жизни вытекает из его уверенности в том, что именно полная усредненность нашего положения в пространстве и времени делает нас совершенно заурядными обитателями Вселенной. Более того, Саган видит в спорах относительно уникальности Земли всего лишь некое отражение очень старой антропоцентрической точки зрения, восходящей по меньшей мере к Клавдию Птолемею. Таким образом, точки зрения астрономов и биологов на роль и назначение человечества (как в роли биологического вида, так и в качестве источника мыслящей жизни) на планете Земля действительно существенно различаются. Различия эти обусловлены научными и профессиональными причинами, вынуждающими специалистов обосновывать и оправдывать свой путь.