Войти
ФлеймФорумНаука

Парадокс Ферми и один хитрый момент, на который никто не обращал внимания

Страницы: 1 2 3 Следующая »
#0
13:37, 30 апр. 2018

Про парадокс Ферми знают и любят все, где-то даже была про него тема. Но при рассуждении о нём почему-то нигде не всплывал один тонкий и неочевидный момент. Сегодня мы исправим это упущение.

В сущности, парадокс Ферми - довольно сильное косвенное доказательство молодого, в несколько тыщ лет, возраста вселенной. Если дело именно так и обстоит, и цивилизации, способные подавать сигналы в космос, только где-то сейчас до этой способности и доросли, то отсутствие сигналов естественно объясняется. Можно даже прикинуть параметры и сделать предсказание: если наше время - примерно начало возможной передачи, а среднее расстояние между цивилизациями в нашем районе галактики - d световых лет, то первые сигналы мы начнём получать примерно через d лет...

Шутка. На самом деле, речь вот о чём.

Передатчик сигнала - это излучатель, который может включаться и выключаться. Перекидываться между уровнем излучения 1 и уровнем 0 (не обязательно именно 0, но отличимым от 1). Его можно охарактеризовать мощностью P - разницей в мощности излучения между уровнями 1 и 0.

Тонкость номер 1. Переключение в реальной вселенной происходит не мгновенно. Поэтому передатчик, кроме мощности, можно охарактеризовать ещё и временем переключения - среднее время t_п, которое требуется для переключения между 0 и 1. Скорость переключения (V) - обратная величина (1/t_п), и она же примерно равна числу бит в секунду, которое можно передавать данным передатчиком.

Что мы можем сказать о предполагаемом передатчике из вражеского космоса?
Очевидная характеристика - мощность. Мощность передатчика, который мы в состоянии заметить, можно прикинуть (это будет что-то вроде P = const/d^2, где d - расстояние). Скорость переключения передатчика не рассматривается. Молчаливо предполагается - "какая надо, такая и будет". "Какая надо" - это, условно говоря, скорость, с которой человекоподобный инопланетянин будет стоять у пульта и нажимать на кнопку, передавая морзянку (единицы в секунду): примерно такие сигналы и ищутся.
Но не рассматривается она зря.

Допустим, что подающий сигнал инопланетянин действительно человекоподобен (в смысле размера, силы и скорости восприятия времени). Тогда он представляет собой передатчик мощностью порядка десятков ватт и скоростью переключения порядка единиц в секунду. Передатчик, через который он сигналит в космос, должен быть мощности, примерно сопоставимой со звёздной - например, 10^14 Вт. Соответственно, инопланетянину для управления источником потребуется не просто усилитель мощности, но усилитель, способный сохранить скорость переключения. И здесь возникает...

Тонкость номер 2. Усиление управляющего сигнала происходит тоже не мгновенно. Особенно если на много порядков. Т. е., очевидно, что между нажатием кнопки и переключением межзвёздного передатчика 0<->1 пройдёт какое-то время - скорость переключения передаваемого нам сигнала всегда будет ниже, чем может дать начальный источник.
И вот вопрос: насколько ниже она может быть?

Чтобы оценить непраздность вопроса, обратим внимание, какое время занимает переключение коллайдеров, реакторов и энергосетей гигаваттных мощностей (т. е., усиление человекоподобного сигнала по мощности всего на 10 порядков) - минуты и десятки минут - сопоставим с человекоподобными долями секунды, и впечатлимся. То есть, если профессору в какой-нть Пулковской обсерватории сейчас вздумается попередавать сигналы гигаваттной мощности, он сможет сигналить не по несколько бит в секунду, а всего лишь по ~1/500 (1 бит за 500 секунд).
Удобно оценить это усиление через соотношения мощности ко времени переключения (W = P/t_п), так называемые энергозатраты на переключение (ЭНП). У профессора W~10 Вт/с, у энергосети - ~2 МВт/с. Т. е., на нашем уровне развития цивилизации коэффициент усиления от "человекоподобных" ЭНП до ЭНП сигнала максимально доступной мощности - примерно 200000.

Можно ожидать, что более высокоразвитой цивилизации будут доступны как более высокие мощности, так и более высокие коэффициенты усиления по ЭНП. Однако могут ли они расти неограниченно, или есть некий принципиальный предел?
По мнению современной науки, есть предельная плотность массы/энергии и предельная скорость распространения сигнала. А значит... Точнее скажет только модель, но уже понятно, что усилять сигнал по мощности в произвольное число раз, сохраняя скорость переключения сколь угодно близкой к исходной, не выйдет.

Иными словами, существует некий максимальный коэффициент усиления по ЭНП, достижимый в нашей вселенной. И он жестоко ограничивает полосу сигнала, который может послать человекоподобная цивилизация передатчиком определённой мощности.

Для иллюстрации жестокости предположим, что предельный ЭНП - K_энп_мах=500000 (в 2.5 раза больше доступного нашей цивилизации, ну и для круглости цифры). Требуемый для межзвёздных сигналов передатчик (см. выше) - 10^14 Вт. С какими ЭНП (W_пер) и, соотв., какой скоростью он сможет переключаться?
W_пер = K_энп_мах*W_чел = 5*10^6 * 10 Вт/с = 5*10^7 Вт/с
W_пер = P_пер/t_п-> t_п = P_пер/W_пер
P_пер/W_пер = 10^14 Вт / (5*10^7 Вт/с) = 2*10^6 сек.

То есть, чтобы передать 1 бит информации через источник мощностью с Солнце, человекоподобной цивилизации понадобится не меньше 2 миллионов секунд (555 часов, 23 дня). С источниками мощностью с Бетельгейзе, понятно, всё ещё печальнее.

В принципе, для упорной и терпеливой цивилизации это не вопрос. Но вопрос в другом.
А ведётся ли хвалёными SETI и сотоварищами поиск и анализ сигналов в настолько низком частотном диапазоне? В принципе?
Мне почему-то кажется, что нет.
Так, может, сигналы-то давным-давно идут - просто их ищут не в том диапазоне, где они могут быть даже чисто теоретически?


#1
13:47, 30 апр. 2018

Зачем вообще "мигать" целыми звёздами, если гораздо проще, чем это, послать сигнал на банальных перекладных - небольших кораблях-капсулах с флешками, разгоняющихся до 0.95c, ведь какая разница год ждать или 11 месяцев, если энергозатраты столь различаются.
Конечно и корабли на 0.95c требуют принципиально новых технологий, нежели у нас сейчас есть, но мигать звёздами это вообще абсурд.
Ессесно поток курсирующих кораблей никто не увидит.

#2
13:58, 30 апр. 2018

Sbtrn. Devil
> 10^14 Вт
Откуда такая мощность, можно поподробнее?

В книге "FIFTY SOLUTIONS TO THE FERMI PARADOX AND THE PROBLEM OF EXTRATERRESTRIAL LIFE" я вычитал, что передатчиков современных межпланетных систем связи (для управления всякими марсоходами) должно быть достаточно, чтобы со скоростью этой самой морзянки передавать данные на пол галактики.

В целом, если были бы какие-то теоретические проблемы в передаче сегналов на межзвёздные расстояния, программу SETI никто бы даже не начинал.

#3
14:02, 30 апр. 2018

Sbtrn. Devil
> В сущности, парадокс Ферми - довольно сильное косвенное доказательство
> молодого, в несколько тыщ лет, возраста вселенной.
Если бы вселенная была столь молода, то мы не видели бы большую часть звёзд этой галактики. Но звёзды то видны, но с них никто не сигналит.
Под объективную реальность уложился бы вариант со старой вселенной, но молодыми цивилизациями. Типа, боженька создал вселенную сильно давно, но вот заселять её разумными существами начал только 6000 лет назад.

#4
15:41, 30 апр. 2018

А зачем дёргать вкл/выкл, если можно модулировать сигнал?

#5
16:40, 30 апр. 2018

=A=L=X=
> Зачем вообще "мигать" целыми звёздами, если гораздо проще, чем это, послать
> сигнал на банальных перекладных - небольших кораблях-капсулах с флешками,
> разгоняющихся до 0.95c, ведь какая разница год ждать или 11 месяцев, если
> энергозатраты столь различаются.
Корабль - штука хилая, вероятность, что не долетит - сильно высокая. А звёздную мощность перешибить намного труднее.

Panzerschrek[CN]

> Если бы вселенная была столь молода, то мы не видели бы большую часть звёзд
> этой галактики. Но звёзды то видны, но с них никто не сигналит.
Ну так она могла возникнуть сразу со всеми сигналами, находящимися в пути. В сущности, достоверно убедиться, что, например, Сириус, например, реально существует, а не нам просто транслируют изображение, которое в любой момент может просто исчезнуть, можно только послав туда гонца и проверив.

> Типа, боженька создал вселенную сильно давно, но вот заселять её разумными
> существами начал только 6000 лет назад.
Равносильно возникновению сразу со всем барахлом. Если не было наблюдателей, способных засвидетельствовать положение дел до того, как - существование этой кучи лет не может быть непосредственно подтверждено.

> Откуда такая мощность, можно поподробнее?
Мощность Солнца, попадающая на Землю - 2 * 10^14 Вт. Взято из инторнетов навскидку, чисто для примера.

> В книге "FIFTY SOLUTIONS TO THE FERMI PARADOX AND THE PROBLEM OF
> EXTRATERRESTRIAL LIFE" я вычитал, что передатчиков современных межпланетных
> систем связи (для управления всякими марсоходами) должно быть достаточно, чтобы
> со скоростью этой самой морзянки передавать данные на пол галактики.
В научно-развлекательных книгах можно много чего вычитать. Прикинем на пальцах. Звёздная величина Солнца на расстоянии до Земли (соответствующая тем самым 2 * 10^14 Вт) - ~-27, предельная звёздная величина для современных телескопов - ~+20. На каком расстоянии фонарь типа Солнца достигнет предела различимости современными телескопами? Разница = 47 звёздных величин = (5 звёздных величин = разница в освещённости 100 раз) = 100^(47/5) ~ 6.3 * 10^18. Падение получаемой от источника мощности - обратный квадрат расстояния.
(d_разл^2)/d_з^2) = P_разл/P_з = 6.3 * 10^18 = d_разл^2/(1 а. е.^2)
d_разл = sqrt (6.3 * 10^18) а. е. ~ 2.5 * 10^9 а. е. ~ 39687 св. лет

Т. е., источник мощностью с Солнце добивает чуть больше, чем на всю галактику (30000 св. лет). А вшивый передатчик для космоса - если не ошибаюсь, порядка сотен ватт. Разница ~10^12 - примерно +30 к звёздной величине. Т. е., будет неразличим уже на расстоянии, где Солнце имеет -17 (~2512 а.е., ~0.04 св. лет).

> В целом, если были бы какие-то теоретические проблемы в передаче сегналов на
> межзвёздные расстояния, программу SETI никто бы даже не начинал.
Мы ж понимаем, что назначение этой программы - сугубо пиарное, и потому теоретическими проблемами никто особо не заморачивается. :) Насколько именно не заморачиваются - и призвана показать данная тема.

$tatic
> А зачем дёргать вкл/выкл, если можно модулировать сигнал?
А модуляция, думаешь, даётся бесплатно? Вкл-выкл фонаря - это ведь, собственно говоря, тоже модуляция сигнала на оптической частоте.

#6
17:05, 30 апр. 2018

Sbtrn. Devil
> предельная звёздная величина для современных телескопов - ~+20.
Судя по этому предельная ~27, более-менее практически-различимая пусть будет 25.
Но это всё для видимого света.
С радиоизлучением хз как оно. Радиоволны должно быть легче улавливать, радиотелескопы сильно больше по площади, чем оптические. Но зато энергия кванта меньше.


К тому же в твоих прикидках ещё одна принципиальная ошибка: ты почему-то решил, что излучатель должен излучать во все стороны. На практике удобнее светить очень узким пучком в сторону ближайших звёзд. Если сделать пучок в 1 квадратный градус, то ты сразу получишь уменьшение мощности передатчика на 5 десятичных порядков. Но даже 1 градус это дофига, можно гораздо уже пучок делать.

#7
17:17, 30 апр. 2018

Предлагаю прикинуть мощность передатчика таким способом:

Не так давно мимо Плутона пролетел аппарат New Horizons, пофотографировал его и передал фотки.
Судя по этой информации мощность пеердатчика аппарата составляет 12 ватт.
Расстояние до Плутона в среднем 40 а. е. = 40 / 63 241 =  6,325e-4 световых лет.
Вполне себе галактическое расстояние в 1000 световых лет больше расстояния до Плутона в ~1581025 раз.
Мощность передатчика для такого расстояния нужна в 1581025 больше, что составляет 1581025  * 12= 18972300 ватт или каких-то жалких 19 мегаватт.

А нет, кажется просчитался, надо в квадрат возводить, а значит выходит уже 30000 гигаватт.

#8
17:27, 30 апр. 2018

Вот тут более грамотно считают мощность: http://oldmemory.ru/?file=zemlya-i-vselennaya-10

А у New Horizons, видимо, передатчик слишком широко светит и слишком большую скорость передачи информации обеспечивает.

#9
18:19, 30 апр. 2018

Sbtrn. Devil
Передатчик сигнала - это барабан, который может звучать и выключаться.
Перекидываться между уровнем излучения 1 и уровнем 0 (не обязательно именно 0,
но отличимым от 1). Его можно охарактеризовать мощностью P - разницей в
мощности звука между уровнями 1 и 0.

Тонкость номер 1. Переключение в реальной вселенной происходит не мгновенно.
Поэтому барабан, кроме мощности звука, можно охарактеризовать ещё и временем
переключения пальцев - среднее время t_п, которое требуется для переключения между 0 и
1. Скорость переключения (V) - обратная величина (1/t_п), и она же примерно
равна числу бит в секунду, которое можно передавать данным барабаном.

Что мы можем сказать о предполагаемом барабане из вражеского космоса?
(Из беседы двух выдающихся ученых племени мумбу-юмбу, пока они ели третьего)

#10
19:10, 30 апр. 2018

Sbtrn. Devil
Тему не читал, формулы пролистал.
Просто чушь! Если цивилизация настолько продвинута,  чтобы моргать звездами, что же она настолько тупа, что моргает руками? Разве автоматизировать процессы это не главный признак развитой цивилизации?

#11
21:14, 30 апр. 2018

Смысл парадокса Ферми не в том что какие то дятлы будут моргать звёздами а в том, что за миллиарды лет с миллиарда звёзд нет гостей, потому что за это время (на самом деле за пол миллиона лет) на имеющихся в 1950-е технологиях можно было все звёзды в галлактике снабдить стационарными спутниками слежения. И это при том что инопланетяне бы как в мире фоллаут застряли бы навсегда в развитии.

#12
21:46, 30 апр. 2018

Sbtrn. Devil
Ты неправильно понимаешь парадокс Ферми. Его суть в том, что у любой технологически продвинутой расы, появившейся хотя бы миллиард лет назад, была куча времени для того, чтобы заполонить собой/машинами все окрестные галактики.

Но я думаю, верный ответ на этот парадокс максимально прост и скучен: жизнь действительно очень редкая штука. Вот если бы на Марсе обнаружились какие-нибудь скелеты вымерших животных, всё стало бы намного интереснее.

#13
22:07, 30 апр. 2018

Azure Drake
> жизнь действительно очень редкая штука
> Вот если бы на Марсе обнаружились какие-нибудь скелеты
На Марсе условия плохие.
Сейчас вроде идут исследования, цель которых найти следы параллельной жизни на пока единственной точно пригодной для жизни планете - Земле ;)
Правда, пока безуспешно..

#14
22:33, 30 апр. 2018

Nickulus
> Что мы можем сказать о предполагаемом барабане из вражеского космоса?
> (Из беседы двух выдающихся ученых племени мумбу-юмбу, пока они ели третьего)
На слушание барабанов из космоса выделяется некислое бабло, и миллионы лохов добровольно запускают трояны для участия в "распределённых вычислениях по анализу сигналов". Так почему бы и не сказать что-нибудь о барабанах?

Azure Drake
> Ты неправильно понимаешь парадокс Ферми.
У него много аспектов. Радиомолчание вселенной - наиболее популярный.

Panzerschrek[CN]
> ты почему-то решил, что излучатель должен излучать во все стороны.
Никак нет-с. Я же не просто так взял за мощность солнца не 10^23 Вт (полная) а именно 10^14 Вт (которая достигает Земли). Так что речь идёт именно о направленной мощности.

> Не так давно мимо Плутона пролетел аппарат New Horizons, пофотографировал его и
> передал фотки.
Этим сказочникам про мимопролетающие аппараты надо верить через раз. Но да, цифра мощности примерно в пределах разумного. Я специально брал на порядок больше, т. к. у нас тут большая Земля и можно не стесняться в размерах бандуры.

> Вот тут более грамотно считают мощность

Так, передатчик мощностью 10 кет с полосой излучения 10 кгц при диаметре передающей антенны около 100 м может быть обнаружен современными средствами с расстояния, равного расстоянию до ближайших звезд. Расстояния между цивилизациями, по-видимому, значительно больше: они составляют, вероятно, не менее нескольких сотен, а возможно, и тысяч световых лет. Чтобы обеспечить такую дальность связи, требуется передатчик мощностью от 1 млн. до 1000 млн. кет.

Кет - это киловатты. Т. е., примерно как и говорилось, речь идёт за гига- и тераватты, причём направленного излучения. А как у нас со скоростью переключения гигаваттных мощностей - я обрисовал.
Располагая мощностью порядка 10^33 эрг/сек и более, такая сверхцивилизация может позволить себе роскошь посылки изотропных широкополосных сигналов, обеспечивая даже при этих условиях колоссальную дальность передачи от 10 млн. до 10 млрд, световых лет. Это значит, что если где-нибудь в нашей Галактике или даже в других галактиках (в пределах 10 млн. световых лет) существует хотя бы одна цивилизация II типа, то мы уже сейчас, при современном уровне техники способны обнаружить посылаемые ею сигналы. Что касается цивилизаций III типа, то их можно обнаружить всюду в пределах наблюдаемой области Вселенной! По сравнению с этими цифрами расстояния, в пределах которых возможна радиосвязь между цивилизациями I типа, кажутся весьма скромными. Но даже в этих ограниченных пределах цивилизации I типа могут осуществлять связь только при использовании узкополосных, монохроматических сигналов. Для цивилизаций II и III типа это условие совершенно не обязательно.

10^33 эрг/сек - это 10^26 Вт. Далее, ничтоже сумняшеся, автор принимает, что...

Приведенные дальности достижимы при использовании полосы частот порядка 10^6-10^9 гц. Это очень важное обстоятельство, так как скорость передачи информации пропорциональна полосе частот используемого канала связи. В рассмотренном примере В. А. Котельникова, когда связь между цивилизациями I типа ведется в пределах всей Галактики, скорость передачи информации составляет 1 двоичный знак в минуту. Этой скорости достаточно, чтобы сообщить информацию об искусственном характере передаваемых сигналов, но для передачи научных знаний она все же мала: потребуется около 2 лет, чтобы передать с такой скоростью содержание только одного тома энциклопедии. При полосе порядка 109 гц для этого потребуется тысячная доля секунды, а за 100 секунд можно передать информацию, содержащуюся в 100 000 крупных книг, в которых, вероятно, можно было бы изложить всю сумму знаний, накопленных человечеством!

...на таких мощностях скорость переключения - тысячные доли секунды. И забывает как раз об этом нашем хитром моменте: гигабитный сигнал при передаче надобно усилить в много порядков раз. А с какой радости для гигабитного сигнала это вообще должно получиться? Да даже и 1 бит в минуту?

ZonoID
> Разве автоматизировать процессы это не главный признак развитой цивилизации?
Это меняет только оценочные параметры и мало влияет на картину. С какой скоростью у нас можно моргать автоматически? Сотовые вышки - скорость порядка гигабит, мощность - порядка киловатт (о мощности самого агрегата тактично умолчим). Радиус действия - десятки км. Если направленный сигнал - на 3-4 порядка больше. До Луны с натяжкой достанет, дальше - нет.
Установки, моргающие на 1 гигабит при мощностях мегаваттного порядка, современная техника не умеет, и не факт, что сумеет. Про гигаватты - и говорить нечего (см. ОП).

Чисто теоретически, можно забабахать пульсар, на которой зоны узкого излучения будут нанесены специальным паттерном, и чтоб он передавал периодический сигнал сложной формы. (Или нельзя?) Но тут встанет вопрос времени на подготовку такого передатчика... И в результате при усреднении всё равно может упереться в предел усиления: "гигабитность" сигнала скомпенсируется длительностью на его подготовку.

Страницы: 1 2 3 Следующая »
ФлеймФорумНаука

Тема в архиве.