Ко Дню космонавтики: читайте про «космическое окно» в авторской колонке Артема Юрова

Ко Дню космонавтики Артем Юров, доктор физико-математических наук БФУ им. И. Канта, профессор, известнейший астрофизик и популяризатор науки, рассуждает о значимости покорения космоса.

Когда я был шестилетним мальчуганом, мне довелось посмотреть фантастический фильм «Планета бурь» про полет на Венеру. Моя душа была потрясена! Собственно, это потрясение во многом определило мое будущее, как мне теперь ясно с высоты прожитых лет. Я бредил космическими полетами и зачитывался фантастикой и научно-популярной литературой. Увлечение космонавтикой переродилось в увлечение астрономией, а потом в увлечение физикой и математикой. Теперь я занимаюсь теоретической физикой и космологией: наукой о Вселенной на самых больших масштабах, какие существуют. Космологи редко обращают внимание на такую мелочь, как расстояния меньшие, чем 10 миллиардов световых лет (сто миллиардов триллионов километров). С этих высот, полеты на другие планеты Солнечной системы, вроде бы не выглядят чем-то масштабным и достойным внимания спесивых и величественных космологов…

Но тот, кто так думает — ошибается! Именно космонавтика, которая началась с полета Юрия Гагарина и достигла апогея в высадке на Луну Нила Армстронга, Эдвина Олдрина и Майкла Коллинза является той деятельностью, развитие которой определяет вымрет ли род людской или продолжит существовать. Я даже сгущу краски и сформулирую следующее утверждение: если в ближайшие 50 лет, максимум в 21(нашем!) веке, человечество не реализует колонию в космосе (предположительно на Марсе), то шансы на вымирание человечества составят 50 на 50! Если вам кажется, что 50 на 50 это «ни о чем», посмотрите на ситуацию иначе: вам предлагают сесть на самолет до Самары, но предупреждают, что вероятность благополучного завершения рейса лишь 50% (скажем, из-за состояния самолета, который сильно изношен). Вы полетите? Я готов спорить, что вы лично не сядете в такой самолет! Кстати, я тоже. А теперь подумайте о том, много или мало 50% того, что все человечество погибнет? 

К слову говоря, я точно знаю, что Илон Маск в курсе дела этой зловещей статистики и, подозреваю, это обстоятельство является одним из основных стимулов, заставляющих его форсировать марсианскую программу!

Вы скажете — что за ерунда? Почему это 50 на 50 и почему ближайшие 45 лет?

Это удивительное и пугающее обстоятельство понял знаменитый физик из Принстона Ричард Готт III. Мы назовем его «космическим окном». Космическое окно — это промежуток времени, в течении которого человечество может выйти в космос и начать его осваивать. Понятно, что до 20 века это окно было закрыто ввиду отсутствия космических кораблей. Как долго оно будет открыто? На первый взгляд, Космическое Окно будучи открытым в середине 20 века остается открытым всегда. Ричард Готт понял, что на самом деле это не так и ширину этого окна можно оценить.

Следует понимать, что ученые это вообще говоря люди, отвечающие «за базар», в отличии от экстрасенсов. астрологов и предсказателей. Готт прекрасно понимал, что о том или ином будущем можно говорить только с той или иной степенью вероятности. Скажем фраза: «Великая стена падет» это вообще-то лапша на ушах, которую смотрящая в хрустальный шар гадалка использует для пополнения своего бюджета за счет средств наивных посетителей. Фраза: «Падет Берлинская стена» — более осмысленна, но тоже малоинформативна. А вот утверждение вроде: «с вероятностью 50% Берлинская стена простоит еще не менее 2.66 лет и не более 24 лет» это как раз то, что должны формулировать ученые. Именно так должны выглядеть предсказания, порожденные научным методом.

Я привел этот пример не просто так. На самом деле, именно на этой ситуации, тогда еще совсем молодой Ричард Готт сформулировал свой метод, названный им принципом Коперника и получил формулу, которую мы называем формулой Готта-Коперника.

Принцип Коперника — это правило, которое неформально гласит следующее: вы ничем не выделены, место в котором вы находитесь ничем не выделено и момент времени в котором вы себя обнаруживаете тоже ничем не выделен. Воистину этот принцип можно назвать принципом скромного человека или принципом заурядности.

Принцип заурядности — это то к чему нас последовательно привела наука, начиная от представлений, что мы в центре мира, к представлению, что мы находимся около заурядной звезды, в заурядной (каких большинство!) галактике. Разумеется, заурядность учитывает, что для нашего существования нужны определенные условия (скажем, у красных звезд типа Проксимы Центавра холодно, а у синего Бетельгейзе такое излучение, что мы станем головешками быстрее, чем скажем слово «Коперник»). Этот принцип    широко применяется в науке. Скажем, когда Хаббл открыл, что все галактики удаляются от нас, он мог бы сказать, что мы избраны, как Нео из «Матрицы», коль скоро все во вселенной стремится от нас удалится. Однако, после Коперника мы уже не попадаемся на эту удочку и заключаем, что аналогичную картину увидит любой наблюдатель, в любом месте вселенной. Это приводит к фридмановской космологии, которая увенчалась открытием реликтового излучения и Нобелевской премией по физике, присужденной Пензиасу и Вильсону в 1978 году, но не будем углубляться. Вернемся к Готту.

В 1969 году он посетил Берлин после колледжа (как он пишет: тогда еще можно было «побывать в Европе за 5 долларов в сутки»). Стоя у Берлинской стены, отделившей западную и восточную Германии друг от друга он задумался о ее долговечности и решил применить принцип Коперника.

Вот как он рассуждал:
«Я ничем не примечателен. Я только что приехал в Европу после колледжа. Я пришел посмотреть на Берлинскую стену просто потому, что оказался в Берлине и тогда там стояла стена».

Другими словами, Готт мог посетить эту стену в любой момент ее истории. То, что он был там именно в 1969 году абсолютно случайно, т.е. все моменты существования стены ничем не выделены. Прекрасно. Но тогда можно оценить будущую продолжительность существования стены зная ее прошлую продолжительность, опять-таки, используя принцип Коперника. Следите внимательно за руками: стена по любому простоит конечное время, ибо ничто не вечно под Луной, это раз. Готт мог посетить ее либо в первую четверть ее существования, либо в последнюю, либо аккурат в средней половине ее существования, лежащей между первой и последней четвертями — это два. В силу равноправия всех моментов, вероятность попасть именно в эту, среднюю половину, составляет 50% — это три.

Остался пустяк: пусть мы находимся в этой половине. Если мы в самом начале половины, то позади четверть всего времени существования, а впереди, соответственно, три четверти. Т.е. будущее оказывается в три раза длиннее прошлого. Но это максимум, ибо если мы находимся в самом конце этой средней половины, то будущее наоборот, в три раза короче прошлого.

Таким образом, принцип Коперника приводит к главному выводу: если вы наблюдаете некоторое явление, которое уже существует некоторое время, а ваш момент наблюдения выбран случайно, то с вероятностью 50%, долговечность будет составлять от одной трети, до трех сроков ее прошлого.

На момент посещения Готтом, Стена стояла 8 лет, поэтому он сделал предсказание, что она простоит еще от 2.66 до 24 лет, с вероятностью 50 на 50. Он рассказал об этом своему другу Чаку Аллену. Спустя 20 лет, в полном соответствии   с этим предсказанием стена рухнула!

Аналогично, можно делать предсказания с надежностью в 95%. Вот смотрите, представьте себе отрезок. Давайте разделим его на три части – первая коротенькая, составляет 1/40 (одну сороковую) всей дины, вторая длинная, составляет 19/20 всей длины и третья, финальная опять 1/40 (в сумме разумеется получается единица — проверьте непременно). В процентах это выглядит так: первая и финальная части по 2.5%, а средняя – 95% всей длины отрезка. Принцип Коперника означает, что вероятность найти себя на первом или втором участках по 2.5%, а вероятность найти себя на среднем, длинном участке суть 95%, так почти наверняка вы найдете себя именно там.

На среднем отрезке мы можем найти себя в самом начале (тогда «прошлое» составит 1/40 длины, а «будущее» соответственно 39/40, т.е. в 39 раз продолжительнее), в самом конце (тогда «будущее» в 39 раз короче «прошлого») и, что более вероятно между этими крайностями. Таким образом, с вероятностью 95% продолжительность будущего существования будет составлять от 1/39 до 39 продолжительности прошлого существования.

Правда, надо постоянно следить за справедливостью принципа Коперника. Так, отмечает Готт, в некоторых случаях не следует прибегать к этой формуле. Например, на свадьбе, когда утихнут поздравления, не нужно говорить, что брак продлится еще 39 минут, с вероятностью 95%! Дело не только в том, что вас побьют (причем за дело!), а в том, что применять принцип Коперника в данном случае неверно: вас пригласили на свадьбу в определенный час, чтобы засвидетельствовать этот союз. Этот момент выделен и вовсе не равноправен с остальными, так что принцип Коперника в этом случае не верен. Но, вообще говоря, в большинстве ситуаций он работает и работает очень неплохо. Готт проанализировал с его помощью целое море разных феноменов, от популярности бродвейских пьес и мюзиклов, до срока действия правительств и сроков пребывания мировых лидеров у власти. Из 44 мюзиклов, он правильно оценил продолжительность 42-х, а что касается государственных лидеров, то его формула сработала на 94%! Для статистического прогноза даже очень неплохо! Но это тесты. А вот по-настоящему интересно становится, если применить формулу Готта-Коперника к оценке продолжительности существования homo sapiens как вида.

Получился интересный результат: продолжительность существования нашего вида с вероятностью в 95% оказывается того же порядка, что и показатели долговечности других видов млекопитающих! Другими словами, обитая на Земле, мы подвергаемся тем же опасностям, что и другие виды, которые уже вымерли. По оценкам специалистов, вымерло 99.9% всех видов, когда-либо существовавших на Земле! Вы только подумайте: 99.9%! Это какой-то чудовищный эволюционный геноцид природы. И то, что применение принципа Коперника показывает, что мы ничуть не выделяемся из остальных биологических видов, заставляет задуматься, не так ли? Крепко задуматься. Ведь мы, чисто инстинктивно считаем, что мы совсем другой вид, что правила существования видов млекопитающих на нас точно не распространяются! Ведь мы такие умные, ведь у нас есть интеллект. Ведь мы на порядки превосходим другие виды по численности и полагаем, что имеем право убивать их, разводить их и т.д. ибо «мы — цари природы». Однако расчеты по формуле Готта-Коперника оказываются воистину холодным душем! Оказывается, мы, несмотря на нашу самоуверенность, как биологический вид ничем не выделены среди братьев наших меньших! А это значит, что вероятность вымереть у нас столь же высока, сколь и у них. А какова эта вероятность? Ну понятно! Ответ см. выше: 99.9%!! А вероятность выжить не выше 0.01.

Я понимаю, как странно это звучит. Но подумайте: так ли помогает интеллект выжить? Ведь гоминиды (например, Homo erectus и неандертальцы) просуществовали не дольше, чем обычные, неинтеллектуальные виды млекопитающих. Так что интеллект и долговечность вида не коррелируют, если… если они не подкреплены технологиями, которые создает этот интеллект! Другими словами, именно развитие технологий, вопреки разговорам (увы, не только разговорам) всяких луддитов является тем, что может спасти человеческую цивилизацию от вымирания.

Особую роль среди всех технологий играют технологии космические. Это очевидно: если люди остаются на Земле, то наш вид подвергается все тем же рискам, от которых исчезли практически все наши соседи: от климатических изменений и падений астероидов до извержений вулканов и эпидемий. Справиться с этими глобальными процессами мы не можем, поэтому выход в космос является неизбежным, если только мы не собираемся разделить судьбу остальных 99.9% видов.

Вы скажете, ну и отлично. А спешить то зачем? Пока нам и тут неплохо, пока ледники не растаяли и нас не затопило, пока мы не изничтожили озоновый слой и не погорели от ультрафиолета… Вот когда начнет припекать, мы займемся этой невероятно трудной задачей — освоением космоса и построением космических колоний на Луне, Марсе, а пока что у нас полно более насущных дел.

Так вот, именно по этому поводу Готт выразил огромную озабоченность и заразил ею вашего покорного слугу. Он сделал совершенно очевидную вещь: применил формулу Готта-Коперника к самой космической программе, дабы оценить ее продолжительность. В отличии от времени существования нашего биологического вида, космическая программа совсем молода. Давайте будем ее датировать с 1970 года, т.е. когда люди не просто вылетели за пределы атмосферы, а высадились на другое небесное тело – на покровительницу влюбленных Луну.

Сейчас 2025 год, т.е. космической программе с посещением землянами других планет, 55 лет. Значит, по формуле Готта-Коперника, с вероятностью 50 на 50, она просуществует не менее 18.3 года и не более чем 165 лет. Ну что-ж, 165 лет – это вроде неплохо, но увы! Все гораздо хуже.

Дело в том, что формула Готта-Коперника не учитывает того, что случайно выбранному наблюдателю, гораздо более вероятно найти себя в месте где много наблюдателей. Вы родились в стране с населением более семи миллионов человек? Да — ведь в России 140 миллионов человек. Так вот, это не случайность: в мире 190 стран, и половина из них такие, где живет не более семи миллионов человек! Значит вероятность найти себя в густонаселенной стране гораздо выше: примерно 97% всех людей в мире живут в странах с населением выше медианного (т.е. такого значения, что половина всех живет слева, а половина справа от медианы). Россия в этом списке, так что ничего удивительного, что мы находим себя в ней, а не, скажем, в Конго, где живет около 5 миллионов человек.

Но аналогичные оценки можно применять и ко времени. Скажем, сейчас на Земле живет свыше 8 миллиардов человек, а в 1950 было 2.5 миллиарда! Значит вероятность найти себя сейчас, сдвинута относительно вероятности найти себя в середине прошлого века (хотя это и выглядит безумно!) на множитель 3.2. В 1970 году было 3.6 миллиарда человек, значит вероятность найти себя сейчас, по сравнению с 1970 годом сдвинута на множитель 2.2. Для того, чтобы убрать этот эффект сдвига вероятности и вернуться к чистой оценке Готта надо, грубо говоря, разделить ожидаемую продолжительность на 2.2, что превращает ожидаемые 165 лет в 75! Более аккуратная оценка, учитывающая нелинейность прироста народонаселения Земли, дает фактор 2.5, что уменьшает ожидаемую продолжительность космической программы со 165 до…66 лет.

Короче говоря, формула Готта-Коперника приводит к потрясающему выводу: с вероятностью 50 на 50, космическая программа с высадкой человека на другие планеты прекратиться в ближайшие 60-70 лет, если только за это время мы не построим и обоснуем космическую колонию на другой планете. В этом случае, принцип Коперника перестает работать в той форме, какую мы здесь используем. Можно сказать и так: основав колонию на другой планете, мы снимем с себя страшное проклятие эволюции, которая обрекает нас на вымирание с эффективностью в 99.9%! Кроме того, тем самым мы продолжаем космическую эру. А ведь если мы протянем до такой колонии, скажем еще 70 лет, то космическая программа будет иметь почтенный возраст в 125 лет, поэтому ее верхний предел, с вероятностью 50% уже составит 375 лет. Совсем неплохо!

Наиболее подходящим кажется Марс, хотя трудности основания марсианской колонии кажутся просто безумно огромными! Тут тысячи вопросов и миллионы проблем, но у меня нет возможности обсуждать эту невероятно сложную тему. Скажу лишь, что это возможно, хотя и дьявольски трудно. Трудно, но возможно и, главное, НЕИЗБЕЖНО, если мы намерены выжить. Но делать это надо быстро, и именно сейчас, в 21 веке, иначе космическое окно – захлопнется и, как пел Владимир Высоцкий: «… а то мы правнуков оставим в дураках».

Закончу же словами Ричарда Готта III:
Мы живем на планете, усыпанной костями вымерших животных, а возраст нашего вида минимален по сравнению с возрастом всей Вселенной. Мы должны расселиться, пока не вымерли.

С днем космонавтики друзья! Да здравствует 12 апреля!!