Лес, который то молчит, то поёт: динамика уравнения Дрейка ✛ ✎ ✦

Оригинал: "Dynamical generalizations of the Drake equation: the linear and non-linear theories"
· A. D. Panov
arXiv:1805.09058 · 2018-05-23 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 2 мин
Уравнение Дрейка даёт лишь снимок, а новая модель показывает, как популяция цивилизаций в Галактике росла, падала и могла застревать в двух разных состояниях.

Галактика — это лес, в котором птицы начинают петь не сразу. Сначала должны вырасти деревья — звёзды, вокруг которых со временем появятся планеты. Уравнение Дрейка подсчитывает, сколько птиц могло бы петь в этом лесу прямо сейчас, но молча предполагает, что их число не меняется: сколько есть, столько и было. Новая работа снимает это ограничение и показывает, как хор цивилизаций нарастал, затихал и мог застревать в странных состояниях.

Линейная модель — это как если бы каждая птица училась петь независимо от других. Всплеск пения следует за урожаем ягод: около 5 миллиардов лет назад в Галактике родилось больше всего звёзд, и спустя примерно 5 миллиардов лет — время, нужное для развития разумной жизни — число цивилизаций достигло пика. Сегодня, через 12 миллиардов лет от рождения диска, мы всё ещё находимся вблизи этого максимума.

Но птицы не поют в одиночку. Услышав чужую песню, они начинают петь громче и дольше, а их голоса разносятся дальше. В нелинейной модели контакты между цивилизациями увеличивают и срок их «коммуникативной фазы», и радиус связи. Возникает положительная обратная связь: чем больше цивилизаций общается, тем больше их становится и тем активнее они ищут друг друга.

Ключевой результат — бистабильность. При одном и том же темпе рождения цивилизаций лес может находиться в двух устойчивых состояниях. В «эпохе молчания» цивилизаций меньше 2000, и контакты редки — как лес, где поют лишь одиночки. В «эпохе насыщения» их на порядок больше, и у каждой в среднем 10 партнёров — как лес, наполненный многоголосым хором. Переход из тишины в пение происходит лавинообразно, когда темп рождения превышает примерно 1.35 цивилизации в год. А вот обратный переход — от хора к тишине — случается лишь при значительно меньшем темпе: лес неохотно замолкает. Это явление называется гистерезисом.

Раньше уравнение Дрейка давало лишь статичную оценку, игнорируя историю Галактики и взаимодействия между цивилизациями. Теперь построена динамическая модель, которая показывает, что популяция цивилизаций могла переживать волны и фазовые переходы. Современная Галактика может находиться в одной из двух устойчивых фаз, и это напрямую влияет на стратегию поиска внеземного разума.

Если мы в «эпохе молчания», то отсутствие сигналов не говорит о редкости жизни — просто лес ещё не проснулся. Возможно, мы слушаем не в то время или не в том месте. Динамический подход подсказывает, что вместо поиска равновесного числа цивилизаций нужно учитывать, в какой фазе находится Галактика, и направлять наблюдения соответственно. Лес может молчать не потому, что в нём нет птиц, а потому, что они ещё не начали петь хором.

В нелинейной модели критический темп возникновения цивилизаций, при котором происходит фазовый переход, составляет около 1.35 цивилизаций в год — это означает, что если в Галактике ежегодно возникает хотя бы пара коммуникативных цивилизаций, то через некоторое время вся Галактика может оказаться в состоянии насыщения контактами.

Идея бистабильности галактической популяции перекликается с концепцией «Великого молчания» из романа Лю Цысиня «Задача трёх тел»: цивилизации могут скрываться, потому что активные контакты опасны, и Галактика может находиться в состоянии, когда все молчат, хотя разумная жизнь широко распространена.

Учёные
Ludwig BoltzmannHenri PoincaréJohn von NeumannJosiah Willard Gibbs
Понятия
уравнение прайса процессы эволюции галактик динамические системы линейная регрессия уравнение Больцмана дифференциальные уравнения нелинейная динамика эпидемия уравнения фридмана правило Копа галактика теория игр климат производная по времени эволюция сложные системы стохастические процессы неравновесие стохастическая динамическая система засуха