مطالعه جدید نشان می دهد که کهکشان ما شلوغ یا خالی است. هر دو به یک اندازه وحشتناک هستند!

آیا حیات هوشمند در کیهان وجود دارد؟ و اگر چنین است، چقدر رایج است؟ یا شاید این سوال باید این باشد که کسانی که در جستجوی هوش فرازمینی (SETI) هستند، روزی با آن مواجه شوند چه شانسی دارد؟ برای چندین دهه، دانشمندان به شدت در مورد این موضوع بحث کرده اند و هیچ کمبود جوهر در این موضوع ریخته نشده است. از مقالات و مطالعات زیادی که در مورد این موضوع نوشته شده است، دو گروه اصلی پدیدار شده است: کسانی که معتقدند زندگی در کهکشان ما رایج است (با نام مستعار SETI Optimists) و کسانی که معتقدند هوش فرازمینی یا نادر است یا وجود ندارد. بدبینان SETI).

در مقاله‌ای اخیر، دیوید کیپینگ (خود پروفسور «جهان‌های خنک») و گراینت لوئیس این بحث را دقیق‌تر بررسی کردند و برداشت تازه‌ای را بر اساس شکلی از تحلیل احتمالات به نام آزمایش جین ارائه کردند. با استفاده از این روش در اختر زیست شناسی و معادله دریک، آنها به این نتیجه رسیدند که وجود حیات هوشمند در کهکشان ما ممکن است یک گزاره ‘همه یا هیچ’ باشد. به نقل از دانشمند فقید و بزرگ و نویسنده علمی تخیلی آرتور سی کلارک: «دو احتمال وجود دارد: یا در جهان تنها هستیم یا نیستیم. هر دو به یک اندازه وحشتناک هستند.»

دیوید کیپینگ دانشیار نجوم در دانشگاه کلمبیا و عضو کارل ساگان در رصدخانه کالج هاروارد است. او همچنین محقق اصلی آزمایشگاه جهان های خنک در کلمبیا است که به مطالعه و توصیف سیستم های سیارات فراخورشیدی اختصاص دارد. گراینت لوئیس، استاد اخترفیزیک در موسسه نجوم سیدنی، بخشی از دانشکده فیزیک دانشگاه سیدنی است. مقاله آنها، ‘آیا خوشبینان SETI مشکل تنظیم دقیق دارند؟‘ اخیراً به صورت آنلاین ظاهر شد و برای انتشار در مجله بین المللی اختربیولوژی در حال بررسی است.

معادله دریک

در سال ۱۹۶۱، فرانک دریک، ستاره شناس مشهور، میزبان اولین نشست SETI در رصدخانه گرین بانک در ویرجینیای غربی بود. در آماده‌سازی برای این رویداد، او معادله‌ای را ایجاد کرد که چالش‌های پیش روی محققان SETI را خلاصه می‌کرد. این به معادله دریک معروف شد و به صورت ریاضی به صورت زیر بیان می شود:

N = R* × fp × ne × fl × fi × fc × L

جایی که:

N تعداد تمدن های فعال و ارتباطی در حال حاضر در کهکشان ما است.
R* سرعت شکل گیری ستارگان در کهکشان ما است.
fp کسری از ستارگان با سیارات است.
ne تعداد سیاراتی است که به طور بالقوه می توانند میزبان حیات باشند، به ازای هر ستاره ای که سیاره دارد.
fl کسری از موارد فوق است که در واقع هر نوع زندگی را توسعه می دهند.
fi کسری از موارد فوق است که زندگی هوشمند را توسعه می دهد.
fc کسری از موارد فوق است که ظرفیت ارتباطات بین ستاره ای را توسعه می دهد.
L مدت زمانی است که چنین تمدن های ارتباطی فعال هستند.
هدف از معادله دریک تخمین تعداد تمدن های فرازمینی (ETC) در کهکشان ما نبود، بلکه برای تحریک گفتگو در مورد SETI بود. از زمانی که دریک برای اولین بار آن را فرموله کرد، این معادله مورد انتقاد، اضافات و بازنگری قرار گرفت و اغلب در این فرآیند به اشتباه ارائه شد. همانطور که پروفسور کیپینگ از طریق ایمیل به Universe Today توضیح داد، بخشی از مشکل این است که چگونه مقادیر اغلب خودسرانه به پارامترها اعمال می شوند:

‘از آنجایی که ما اکثر پارامترها را نمی دانیم، این فقط یک حدس و گمان محض است و باید به عنوان چنین برچسب گذاری شود. نکته دیگری که اغلب نادیده گرفته می‌شود این است که نشان‌دهنده میانگین تعداد تمدن‌ها و بنابراین، ارزش انتظاری برخی از توزیع‌های اساسی است. این روزها، نقد معادله دریک کمی به یک ورزش تبدیل شده است. مطمئناً هر کسی که از آن به عنوان ماشین حساب استفاده می کند باید منصفانه مورد انتقاد قرار گیرد، اما ایده اصلی اشتباه نیست. باید تعدادی تمدن در آنجا وجود داشته باشد، و ما در اصل می‌توانیم پارامترهای مربوطه را برای محاسبه آن جمع‌آوری کنیم. مسائل در فرمول دقیق، پارامترهایی که باید شامل شوند، واقعاً به چه معنا هستند و نحوه برخورد با تفاوت‌های ظریف مانند تغییرپذیری زمانی، مطرح می‌شوند.’

آزمایش جین

ادوین جینز (۱۹۲۲-۱۹۹۸) استاد برجسته فیزیک ویمن کرو در دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس بود. در سال ۱۹۶۸، او آزمایشی را تصور کرد که در آن به فردی در آزمایشگاه شیشه ای حاوی یک ترکیب ناشناخته و بدون برچسب (X شیمیایی) ارائه می شود. در امتداد یک نیمکت آزمایشگاهی، تعداد زیادی فنجان پر از آب وجود دارد، و آزمایش برای آزمایش این است که هر چند وقت یکبار ماده شیمیایی X در آنها حل می شود. جینز استدلال کرد که باید انتظار داشت که ترکیب تقریباً در هر نمونه حل شود یا تقریباً هرگز حل نشود.

هنگامی که بر روی یک نمودار رسم می شود، توزیع احتمال به شکل کاسه است، با مقادیر ۰ و ۱. همانطور که کیپینگ با جزئیات بیشتر توضیح داد:

جینز مجموعه‌ای از آزمایش‌های برنولی را تصور کرد – یعنی آزمایش‌هایی که پاسخ‌های بله/خیر را برمی‌گردانند. اینها می توانند واقعاً هر چیزی باشند، اما به عنوان مثال، او تصور کرد که یک ماده شیمیایی ناشناخته را در یک سری فنجان های حاوی آب حل می کند و سپس می پرسد – چه بخشی از آنها حل می شود؟ دانشمندی دیگر، جان هالدان افسانه ای، قبلاً پیشنهاد کرده بود که پاسخ ۵۰ درصدی از قبل بعید است. باید انتظار داشت که یا تقریباً همه آنها منحل شوند یا به سختی هیچ کدام از آنها منحل شوند.

جینز این را با دقت ثابت کرد و در بسیاری از ابزارهای استنتاج عینی بیزی پیشگام بود. ما به همان اندازه می‌توانیم آزمایش برنولی را با سؤالات دیگری جایگزین کنیم، مثلاً چه کسری از ستاره‌ها تبدیل به سیاه‌چاله می‌شوند؟ قبل از به دست آوردن هر مشاهداتی، پاسخ ۵۰ درصدی تعجب آور خواهد بود، به این معنی که توزیع توده های ستاره ای کاملاً متعادل است به طوری که نیمی بالاتر از آستانه جرم بحرانی و نیمی پایین تر است. در واقع پاسخ یک در هزار است که با موقعیت جین همخوانی دارد.

جینز به دلیل مشارکت بی‌شمارش در زمینه آمار، به عنوان یکی از بنیانگذاران «بیزیانیسم عینی» شناخته می‌شود. در حالی که آزمایش او به این صورت در نظر گرفته نشده بود، کیپینگ و لوئیس کاربرد بالقوه آن را در اختر زیست شناسی دیدند.

همه یا هیچ؟

دیوید برین در مقاله مهم خود در سال ۱۹۸۳، ‘سکوت بزرگ – بحث در مورد حیات هوشمند فرازمینی‘ به بحث های جاری در مورد وجود حیات فرازمینی پرداخت. از این رو، او وجود دو اردوگاه را در هنگام بحث تشخیص داد: «خوشبینان تماس» و «بدبینان تماس» – یا همانطور که کیپینگ و لوئیس در مقاله خود به آنها اشاره می کنند، «خوشبینان SETI» و «بدبینان SETI» – کسانی که معتقدند در کهکشان ما تمدن هایی وجود دارد، بشریت می تواند با آنها ارتباط برقرار کند و کسانی که معتقدند این امر بی ثمر است زیرا بشریت در جهان تنهاست.

هنگامی که آزمایش جینز در مورد مسئله حیات هوشمند در کهکشان ما اعمال می شود، باید انتظار داشته باشیم که یا بسیار رایج یا بسیار نادر باشد. در وسط، جایی که توزیع احتمال ضعیف‌ترین است (یعنی حیات فرازمینی نیمه رایج است)، جایی است که «مشکل تنظیم دقیق» ظاهر می‌شود. در زمینه کیهان‌شناسی و اختر زیست‌شناسی، تنظیم دقیق به این گزاره اشاره دارد که شرایط زندگی تنها زمانی رخ می‌دهد که ثابت‌های جهانی خاصی در محدوده بسیار باریکی از مقادیر قرار گیرند.

اگر هر یک از این ثابت های بنیادی اندکی متفاوت بود، کیهان برای توسعه ماده، ساختارهای بزرگ مقیاس یا زندگی آنطور که ما می شناسیم مساعد نبود. همانطور که کیپینگ توضیح داد، این یک مشکل برای خوشبینان SETI است:

برخلاف مثال سیاهچاله ای که قبلاً برایتان آوردم، هیچ حد پایینی برای این مشکل وجود ندارد. با سیاهچاله ها، ما کوچکترین و بزرگترین جرم ستاره مجاز را از اخترفیزیک می دانیم و فقط چند مرتبه قدر است. آستانه سیاهچاله باید در آن محدوده نسبتاً باریک جایی باشد. وقتی صحبت از بیگانگان می شود، احتمال هوش می تواند ۱٪ یا ۰.۰۰۰….۰۰۰۰۱٪ باشد (هر تعداد صفر که دوست دارید اضافه کنید).

‘با چنین طیف گسترده ای از احتمالات، خوش بینان SETI باید این دیدگاه نسبتاً ساختگی را باور کنند که مقدار درصد آنقدر بالا نیست که ما هنوز کسی را نبینیم، اما مطمئناً بسیار بالاتر از ورطه عمیق احتمالات کم است که قابل قبول است. بنابراین آنها اساساً یک مشکل تنظیم دقیق دارند و برای زندگی در یک راهرو نسبتاً باریک به درصد نیاز دارند.

اگر کهکشان ما مملو از تمدن‌های فرازمینی بود، مطمئناً نشانه‌های غیرقابل انکاری وجود داشت که ما متوجه آن‌ها می‌شدیم – مانند سیگنال‌های رادیویی، ابرساختارها، باندهای کلارک و سایر «تکنوسیچرها». اگر این به نظر آشنا می رسد، به این دلیل است که این استدلال هسته اصلی پارادوکس فرمی است (که ما یک مجموعه کامل درباره آن نوشته ایم!) به این ترتیب، می توان استدلال کیپینگ و لوئیس را به عنوان نمونه ای از بدبینی SETI تفسیر کرد. خوشبختانه داستان به همین جا ختم نمی شود.

فرمالیسم جدید

در مواجهه با این نتیجه، کیپینگ و لوئیس تلاش کردند تا فرمالیسم جدیدی برای معادله دریک ابداع کنند که فقط دو فرآیند را در نظر می گیرد: نرخ تولد و میزان مرگ و میر تمدن ها. وقتی این کار انجام می شود، همه پارامترهای معادله (به جز L، طول عمر تمدن ها) در یک پارامتر واحد جمع می شوند: نرخ تولد و مرگ تمدن ها (rc). یا همانطور که از نظر ریاضی ظاهر می شود: NC = rc x LC. کیپینگ گفت:

در معادله استاندارد دریک، ما اغلب درگیر بحث در مورد اینکه کدام پارامترها را شامل می‌شویم (مثلاً آیا برای احتمال تبدیل حیات به حیات چند سلولی کسری وجود دارد). اما این کاملا غیرقابل انکار است که هر تمدنی باید آغاز و پایانی داشته باشد، در واقع اگر در این چارچوب بخواهیم حتی می‌توانیم نرخ مرگ و میر را صفر کنیم که با طول عمر بی‌نهایت مطابقت دارد. به عنوان مثال، در یک سیستم اکولوژیکی، مانند یک ظرف پتری، حداکثر جمعیت ممکن کاملاً مشخصی وجود دارد که آن را ظرفیت حمل می نامیم. بنابراین، نسخه تولد-مرگ معادله دریک را به‌روزرسانی کردیم تا این تفاوت ظریف را در نظر بگیریم.

در این مورد، توزیع احتمالات به شکل S تبدیل شد (تصویر بالا را ببینید)، اما نتیجه نهایی همچنان یکسان بود: یا کهکشان شلوغ است یا خالی. یکی از راه‌های دور زدن این ایده این است که بشریت می‌تواند در دوره‌ای زنده باشد که در آن ETCها ظهور کرده‌اند و شروع به گسترش در سراسر کهکشان کرده‌اند و بنابراین هنوز توسط ابزار ما مورد توجه قرار نگرفته‌اند. با این حال، همانطور که کیپینگ و لوئیس نشان دادند، این نیز از مشکل تنظیم دقیق رنج می برد، زیرا زیست شناسی نشان می دهد که رشد جمعیت یک پدیده شتاب دهنده است.

کیپینگ گفت: ‘می بینید، مراحل انبساط کهکشانی در مقیاس زمانی کیهانی باید نسبتا سریع باشد. در واقع، واقعاً مانند یک چشم به هم زدن است.’ بنابراین بعید است که در چنین مرحله ای زندگی کنید. احتمال بیشتری وجود دارد که زمانی زندگی کنید که کهکشان اساساً قبل از این اتفاق یا پس از وقوع آن خالی باشد (که در واقع، از آنجایی که سیاره شما مستعمره شده است، مسلما غیرممکن است). یک بار دیگر، پارادوکس فرمی سر خود را بالا می‌برد، جایی که قوی‌ترین احتمال این است که بشریت یا تنها باشد، یا در اوایل مهمانی، یا یکی از معدود تمدن‌هایی است که در حال حاضر در کهکشان راه شیری وجود دارد.

به SETI امیدواریم؟

اما قبل از اینکه فکر کنید این همه خبر بد است، کیپینگ و لوئیس تاکید می‌کنند که SETI یک آزمایش مهم و حیاتی است که شایسته منابع اختصاصی است. آنها نتیجه می گیرند: «در حالی که شانس موفقیت اندک به نظر می رسد، چنین موفقیتی مسلماً نشان دهنده تأثیرگذارترین کشف علمی در تاریخ بشر است». آنها همچنین دلایل متعددی را برای امیدوار ماندن پیشنهاد می‌کنند، که شامل فرضیه هنسون «بیگانگان گرابی» می‌شود، که بیان می‌کند که بشریت در نقطه میانی منحنی S شکل است و تا چند صد میلیون سال دیگر با یک ETI مواجه خواهیم شد.

در این میان، کیپینگ همچنین پیشنهاد می‌کند که SETI می‌تواند از ریخته‌گری شبکه گسترده‌تر سود ببرد. اگر همانطور که مطالعه آنها نشان می دهد، تمدن های پیشرفته در کهکشان ما بسیار نادر هستند (یا وجود ندارند)، پس باید به دنبال منابع خارج از کهکشانی باشیم. او افزود: ‘من فکر می کنم راه مورد علاقه من این است که کهکشان ما به طور غیرعادی ساکت است، اکثر آنها شلوغ و پر هستند، اما ما اولین نفر در کهکشان راه شیری هستیم.’ این امر بعید به نظر می رسد، اما شاید تولد در یک کهکشان شلوغ غیرممکن باشد، زیرا املاک و مستغلات قابل سکونت قبلاً بلعیده شده اند. این نشان می دهد که ما باید تاکید بیشتری بر SETI خارج از کهکشانی به عنوان بهترین عکس خود داشته باشیم.

ادامه مطلب: arXiv.