För sjuttio år sedan ställde den italiensk-amerikanske kärnfysikern Enrico Fermi en fråga till sina kollegor under en samtal vid lunchtid . Om liv är vanligt i vårt universum, varför kan vi då inte se några bevis för dess aktivitet där ute (aka. 'var är alla?') Sjuttio år senare har denna fråga lanserat lika många förslag till resolutioner om hur utomjordisk intelligens ( ETIs) kan vara vanliga, men går obemärkt förbi av våra instrument.
Några möjligheter som har övervägts är att mänskligheten kan vara ensam i universum, tidigt till festen , eller är inte i stånd att märka någon ännu. Men i en nyligen genomförd studie, Robin Hanson (skapare av Bra filter ) och ett tvärvetenskapligt team erbjuder en ny modell för att avgöra när utomjordingarna kommer hit. Enligt deras studie är mänskligheten tidig till universum och kommer att möta andra om 200 miljoner till 2 miljarder år från nu.
Förutom att vara associerad med Future of Humanity Institute (FHI) vid Oxford University, Robin Hanson är också professor i nationalekonomi vid George Mason University . Han fick sällskap av kollegor från Durham University Centrum för partikelteori och den Institutionen för matematiska vetenskaper , Carnegie Mellon University Machine Learning Department och det internationella handelsföretaget Hopphandel .
För att bryta ner det kortfattat, antar 'grabby aliens-modellen' att civilisationer föds enligt en serie steg som liknar det vi ser med den biologiska utvecklingen av livet här på jorden. Dessa civilisationer, som Hanson och hans kollegor refererar till som 'grabby civilisationer' (GCs), kommer sedan att expandera i en gemensam takt, ändra volymen av utrymme de upptar och förhindra tekniskt avancerade civilisationer (liknande där mänskligheten är idag) från att uppstå i dessa volymer. Modellen har tre parametrar, bestående av:
- Expansionshastighet(er) från det faktum att vi inte ser höga utomjordiska volymer på vår himmel,
- Kraft (n) från historien om betydande händelser i livets utveckling på jorden,
- Konstant (k) genom att anta att vårt datum är ett slumpmässigt urval från deras framträdandedatum.
Modellen antar att utomjordiska civilisationers expansionshastighet kan uppskattas baserat på det faktum att vi (13,8 miljarder år efter Big Bang) inte upptäcker närvaron av dem vid denna tidpunkt, hur lång tid det tar för avancerat liv att utvecklas (baserat på) och antagandet att mänsklighetens placering i rum och tid inte är ovanlig, i förhållande till utseendet av avancerade och expanderande civilisationer (liknande Kopernikanska principen ).
Utifrån detta kunde Hanson och hans team. Dessutom kunde Hanson och hans kollegor göra uppskattningar om var GC:erna finns i vårt universum, hur mycket av universum de har ockuperat hittills och hur lång tid det kommer att ta innan vi möter dem.
'Var är allihopa?'
Den första parametern (s) hänvisar till Fermi-paradoxen, som ursprungligen inramades av Michael Hart och Frank Tipler), som hänvisar till den uppenbara skillnaden mellan den statistiska sannolikheten för intelligent liv i vårt universum och frånvaron av bevis för det. Inom denna teoretiska ram tvingas forskare hitta förklaringar till hur intelligent liv kan vara allestädes närvarande men har förblivit osynligt för mänskliga instrument fram till nu.
Som nämnts har detta lett till olika förslag till resolutioner under de senaste decennierna. Några viktiga överväganden inkluderar universums tidslinje och utvecklingen av livet på jorden. Aktuella uppskattningar visar att universum är 13,8 miljarder år gammalt (± 40 miljoner år), medan solsystemet och planeten jorden bildades för ungefär 4,5 miljarder år sedan. Baserat på de senaste fossiliserade bevisen tros de tidigaste livsformerna ha uppstått för mellan 4,2 och 3,8 miljarder år sedan.
Samtidigt har mänskligheten bara funnits under de senaste 200 000 åren av jordens historia och har bara haft en nivå av teknisk utveckling som tillåter SETI-undersökningar i cirka 70 år. Med tanke på skillnaden mellan dessa siffror, hävdar många forskare att det är enkel antropocentrism att anta att mänskligheten kan vara den mest avancerade intelligensen (eller värre, ensam) i universum.
Å andra sidan hävdar vissa att om intelligenta arter hade dykt upp miljoner eller miljarder år innan människan ens existerade, skulle de inte ha fortsatt att ockupera det synliga universum i betydande utsträckning? Stöder det faktum att vi inte ser några GC när vi tittar upp mot natthimlen inte uppfattningen att ingen är där ute, eller åtminstone inte i en position att kommunicera med oss ännu?
Andra har fortfarande hävdat att en evolutionär tidslinje på 4,5 miljarder betyder att bara stjärnor och planeter med längre livslängd kan stödja liv, som M-typ (röda dvärgar). Dessa stjärnor är kända för att ha otroligt långa livslängder och förblir i sin huvudsekvensfas i upp till biljoner år. Samtidigt nyligen exosolar planet undersökningar har antytt att de är den mest sannolika platsen att hitta steniga planeter som kretsar inom sina beboeliga zoner (HZ) . Som Hanson förklarade för Universe Today via e-post:
'95 % av planeterna är runt stjärnor med längre livslängd än våra, och de flesta lever längre än en biljon år. Dessutom bör avancerat liv som vi dyka upp mot slutet av en planets liv, eftersom livet först måste utvecklas genom många stadier. Så vi är ganska tidiga jämfört med när vi förväntade oss att ett avancerat liv skulle dyka upp.'
Så medan vår planet bara har funnits under de senaste 30% av universum, motsvarar vår evolutionära tidslinje 1% av livslängden för långlivade planeter. I huvudsak betyder detta att 99% av avancerade livsformer i vårt universum kommer att dyka upp efter idag. Lägg till det faktum att vi inte ser bevis på att främmande civilisationer ockuperar majoriteten av kosmos (något som blir mer troligt med tiden), och man lämnas med den förutsedda slutsatsen att mänskligheten är en 'tidig ankomst'.
Kliv hårt!
Den andra parametern (n) bygger på föreställningen att biologisk evolution kan modelleras utifrån ett antal steg. Detta koncept introducerades av den australiensiske fysikern och Fellow of the Royal Society (FRS) Brandon Carter, känd för att ha myntat Antropisk princip . Som svar på vad han såg som en överutvidgning av den kopernikanska principen i kosmologin, säger denna princip att själva existensen av intelligent liv indikerar att universum självt bidrar till dess skapelse.
I en studie från 1983 med titeln ' Den antropiska principen och dess konsekvenser för biologisk evolution ” Carter presenterade en statistisk modell av hur civilisationer som vår kan uppstå från enkel död materia via en serie mellansteg. Sedan dess har många forskare byggt vidare på hans modell, som inkluderar Hanson själv. 1996 publicerade Hanson en uppsats med titeln ' Det stora filtret – är vi nästan förbi det? ” där han föreslog att Fermi-paradoxen kunde vara resultatet av att ett eller flera av dessa steg är osannolika.
Hanson använde livet på jorden som mall och hävdade att det fanns åtta möjliga steg mellan de tidigaste kända livsformerna och där mänskligheten är idag, med ett nionde steg som representerar vår möjliga framtid. Dessa består av:
- Beboeligt stjärnsystem (organiska ämnen och beboeliga planeter)
- Reproduktiva molekyler (t.ex. RNA)
- Prokaryota encelliga liv
- Eukaryot encellsliv
- Sexuell fortplantning
- Flercellsliv
- Djur som kan använda verktyg
- Industriell civilisation
- Storskalig kolonisering
För varje steg ökar sannolikheten för misslyckande, en situation som Hanson sammanfattade med en låsplockningsanalogi. Föreställ dig att du har en serie lås som du måste välja före en deadline, och de har olika svårighetsgrader. Oddsen att plocka alla lås innan deadline är ute är en maktlag, där en förändring av en kvantitet ger upphov till en proportionell ökning av en annan kvantitet.
För denna studies skull omprövade Hanson och hans kollegor dessa steg, med hänsyn till att vissa kan ta längre tid att uppnå än andra (vad de grupperar som 'enkla' eller 'svåra' steg). Kombinationen av dessa steg är vad de kallade 'hårda stegs kraftlag', där varje steg har en inverkan på huruvida en art kunde avancera tillräckligt innan en annan GC ockuperade deras utrymme och undertryckte dem. Som Hanson förklarade det:
'Timingen av händelser i historien om livet på jorden tyder på att det fanns 3-9 svåra steg som livet måste gå igenom för att nå vår nivå och att de flesta planeter som vår aldrig når vår nivå innan fönstret för liv på den planeten stängs ', sa Hanson. 'Därför är ett avancerat liv som vårt sällsynt. Vi kan också se att det är sällsynt eftersom vi inte ser något liv där ute på den mer avancerade nivån att göra stora synliga effekter på universum.
'Därför vet vi att det finns ett 'stort filter' som står mellan enkel död materia och utökande bestående liv. Vår nya analys låter oss uppskatta den numeriska storleken på detta filter. Avancerat liv på gripande utomjordingarnivå dyker upp ungefär en gång per miljon galaxer före deadline för gripande utomjordingar.'
Med andra ord finns det en deadline för avancerat liv i universum, där det måste dyka upp och nå komplexitet innan en mer gammal och avancerad art tar sig om den. Långt ifrån att placera mänskligheten ensam i universum, antyder utsikterna att mänskligheten är en tidig ankomst att det finns gott om GC där ute, såväl som sådana som ännu inte har nått ett avancerat utvecklingsstadium.
Diagram som visar ett prov på ett stokastiskt utfall från en GC-modell i en (1D) och två (2D) rumsliga dimensioner. Kredit: Hanson (et al.)
'Om främmande civilisationer slumpmässigt dyker upp som sedan expanderar ut för att göra om universum, så när hela universum är fyllt med sådana utomjordingar, finns det inga platser kvar för livet att utvecklas mot vår nivå', tillade Hanson. 'Det vill säga, 'grabby aliens' skapar en deadline inom vilken avancerat liv måste dyka upp. Denna tidsfrist är inom några miljarder år från nu. I förhållande till den deadline är vi inte tidiga.”
Going Loud!
Den sista parametern (till) bygger på antagandet att tiden och rummet vi upptar är representativa för normen (som redan nämnts, den kopernikanska hypotesen). Enligt GC-modellen är detta resultatet av en selektionseffekt där avancerat utomjordiskt liv så småningom kommer att expandera för att fylla upp universum. Detta tar upp den sista aspekten som Hanson och hans team övervägde, vilket är hur mindre utvecklade civilisationer gör övergången till att bli GCs – aka. gå från att vara 'tyst' till att vara 'högljudd'.
Högljudda civilisationer kallas för att de ökar sin volym (av rymden), ändrar sina volymers utseende (visar tecken på aktivitet producerar teknosignaturer). Tysta civilisationer är de som inte ökar sina volymer eller ändrar dem, vilket effektivt beskriver vår nuvarande utvecklingsnivå. Med tiden kommer tysta civilisationer (om de överlever) att utvecklas till den grad att de också kommer att bli högljudda, förutsatt att de gör det innan deadline passerar.
Med dessa parametrar definierade simulerade Hanson och hans kollegor hur variationer i expansionshastigheten för GC:er (s) och tiden det tar för livet att utvecklas (n) skulle ge olika resultat på hur många GC som för närvarande var aktiva i vårt universum, hur mycket av det de hade kommit att ockupera och (som ett resultat) när vi kan stöta på en GC. Dessa variabler visualiserades i form av 1D- och 2D-diagram (visas ovan) och en 3D-animation (visas nedan).
Desparametern är särskilt viktig eftersom snabbare expanderande utomjordingar skulle vara svårare att upptäcka innan de nådde vår tröskel. På grund av ljusets hastighet skulle all aktivitet i en upptagen volym av rymden ta tusentals år att nå oss. Om en GC expanderar tillräckligt snabbt, kommer ljuset de genererade när de först började expandera inte att anlända innan de gör det. Som Hanson uttryckte det:
'Vid ursprungsdatumet för en slumpmässig civilisation är ungefär hälften av universum fyllt av mycket stora synliga främmande civilisationer. Om dessa växte mycket långsamt, skulle himlen vara full av dem, enorma cirklar på himlen, mycket större än fullmånen. Men om de växte med ljusets hastighet, skulle vi inte se dem förrän de kom hit.
'Om de växte väldigt snabbt, till exempel med över hälften av ljusets hastighet, så skulle de flesta platser som kunde se dem vara platser där de hade anlänt och koloniserat och förändrats. Det vill säga, om vi kunde se dem, då skulle de troligen vara här istället för oss. I så fall skulle vi inte existera.”
När träffar vi dem?
I slutändan indikerade resultaten som Hans och hans team erhöll följande möjligheter:
- GC:er (eller 'högljudda' civilisationer) dyker upp från tysta sådana med en hastighet av ungefär en gång per miljon galaxer
- De expanderar och ökar sin volym med ungefär halva ljusets hastighet
- De kontrollerar för närvarande 40-50% av universums volym
- Varje GC kommer så småningom att kontrollera 105- 3 x 107(100 000 till 30 miljoner) galaxer
Sist men absolut inte minst, uppskattade de att mänskligheten sannolikt kommer att möta den närmaste GC ungefär 200 miljoner till 2 miljarder år från nu. Under tiden indikerar deras modellering också att oddsen för att mänskligheten ska upptäcka tecken på teknisk aktivitet (aka. 'technosignatures') är mycket låga. Som Hanson förklarade, kan detta vara dåliga nyheter för dem som är engagerade i Search for Extraterrestrial Intelligence (SETI).
'En gång per miljon galaxer är mycket sällsynt, och om grabbiga utomjordingar var de enda sorterna att se, så skulle chansen för SETI att se några utomjordingar i närheten vara mycket låga,' sa han. 'Men det kan vara så att det finns många gånger fler 'tysta' främmande civilisationer där ute. Ju högre förhållandet är mellan tysta och gripande utomjordingar, desto närmare kan de närmaste tysta utomjordingarna finnas.”
Illustration av urvalseffekten, där expansionshastigheter (s) är nära ljushastigheten c, kommer en GC sannolikt att ha kört om oss när vi ser. Kredit: Hanson (et al.)
Omvänt, ju färre tysta civilisationer där ute (i förhållande till GC) just nu, desto större är våra framtida chanser att själva bli en GC. Tyvärr sänker den här utsikten också oddsen för att vi ska upptäcka och observera främmande civilisationer i vår galax. Faktum är att modellen Hanson och hans kollegor skapade förutspår att 'tyst-till-grip-förhållandet' måste vara över 10 000 till 1 för att vi realistiskt ska kunna förvänta oss att ens en tyst civilisation någonsin har varit aktiv i vår galax historia (ca. 13,5 miljarder år).
Det förhållandet måste vara så högt som 10 miljoner till 1 för att vi ska kunna förvänta oss att alla främmande civilisationer med en livslängd på en miljon år är aktiva just nu i vår galax. Även om inget av dessa resultat är särskilt uppmuntrande för SETI-forskare, noterar forskargruppen att det är möjligt att volymerna av utrymme som upptas av GC:er är mer subtila till utseendet och att deras expansionshastighet är långsammare. I det här fallet uppskattar de att vi kan förutse att det finns tecken på natthimlen.
En annan positiv faktor från denna forskning är det faktum att denna typ av modellering nu är möjlig. Medan tidiga SETI-ansträngningar styrdes av gissningar som var föremål för mycket osäkerhet (som Drake-ekvationen), har vi nu tillräckligt med data om typerna av stjärnor och exoplaneter i vårt universum för att vi kan dra utbildade slutsatser.
'Det är spännande att vi är här nu,' sa Hanson. 'Vi spekulerar inte längre om utomjordingar; vi är ganska säkra på att de finns, och vi kan säga var de är i rymdtiden. Vi har en enkel statistisk modell som säger var de är, vad de gör och var vi kan se eller möta dem.'
Vidare läsning: Grabby Aliens , arXiv