Структурный космологический эволюционизм и программа SETI.

Статья является сокращённой версией доклада [1].

А.Д.Панов НИИЯФ МГУ, г. Москва

Около восьми десятков лет назад, благодаря пионерским работам А.А.Фридмана [2] и Э.П.Хаббла [3], ушли в прошлое представления о Вселенной как о чем-то вечном и неизменном. Видимая Вселенная возникла и развивается. В процессе эволюции Вселенной меняются её количественные характеристики: масштабный фактор, температура, плотность. Но эволюция Вселенной не сводится к одним только количественным изменениям. В процессе своего развития она совершает структурную эволюцию, характеризующуюся возникновением качественно новых форм организации материи. Если говорить только о надёжно установленных ступенях такой качественной эволюции, то, с не слишком существенными для последующего анализа упрощениями, этапы самоорганизации Вселенной выглядят следующим образом:

• Спустя 10^-15,сек после Большого Взрыва материя во Вселенной существует в виде плазмы, состоящей из свободных кварков, электронов, глюонов, фотонов и других частиц, которые в стандартной модели квантовой теории поля считаются элементарными; устойчивые структурные образования отсутствуют.
• Благодаря снижению температуры и плотности Вселенная совершает первый структурный переход: кварки связываются глюонами в составные частицы - протоны, нейтроны и другие адроны. Возникает первый низкоэнтропийный продукт, что кладёт начало глобальному процессу диспропорционирования энтропии во Вселенной (диспропорционированием энтропии называется процесс, в котором содержание энтропии в некоторой системе падает за счёт экспорта энтропии в окружающюю среду).
• Протоны и нейтроны объединяются в ядра гелия в первичном нуклеосинтезе. Новая структура (ядра) включает в себя уже существующие структуры (протоны и нейтроны) в качестве субструктур.
• Протоны и ядра гелия связываются с электронами, рождая нейтральные атомы.
• Из первичного водорода и гелия формируются протогалактики. Существенную роль в формировании протогалактик сыграла ещё и так называемая тёмная материя - гравитирующее вещество небарионной природы, которого во Вселенной, по массе, примерно в шесть раз больше, чем барионов. Протогалактики начали формироваться именно из тёмной материи, а обычное вещество "подтянулось" к уже сформированным структурам тёмной матери после рекомбинации электронов [4]. Таким образом, протогалактики базировались сразу на двух структурах, возникших в предыдущей эволюции: на нейтральных атомах и гравитационных неоднородностях в распределении тёмной материи.
• Гравитационная неустойчивость внутри протогалактик приводит к возникновению новой структурной ступени - звёзд первого поколения.
• В ходе эволюции первичных звёзд нарабатываются тяжёлые химические элементы - углерод, кислород и другие.
• Благодаря наличию тяжёлых элементов возникают звёздные системы, имеющие планеты земного типа.
• На планетах земного типа начинается интенсивная химическая эволюция. Новая структурная ступень - сложные химические соединения, в том числе органические.
• В ходе химической эволюции возникает жизнь. Здесь требуется существенная оговорка. Жизнь известна в единственном экземпляре - на Земле. Однако Солнце, видимо, ничем особенным не отличается от миллиардов других звёзд Метагалактики, поэтому естественно предполагать, что жизнь является обычным явлением, по крайней мере в масштабах Вселенной. В этом смысле жизнь - явление космологическое, подобно и другим формам организации материи, например - галактикам.
• Наконец, жизнь порождает разум. По поводу разума справедливы оговорки, которые были сделаны по поводу жизни.

Можно констатировать, что устойчивое повышение максимального уровня организации материи во Вселенной со временем является экспериментальным фактом. Это совершенно очевидно. Далее, устойчивое развитие не только имело место, но проходило через качественно различные структурные уровни, причём каждая новая ступень возникала не сама по себе, но только на основе предыдущей или предыдущих. То, что новые эволюционные формы тем или иным способом происходят из уже существующих, хорошо известно и обсуждается применительно к процессу возникновения жизни и биологической эволюции [5]. В этом контексте это обстоятельство известно как эволюционный консерватизм. Как видно, этот принцип справедлив не только для предбиологической и биологической эволюции, но и для всей известной качественной эволюции структурных форм материи во Вселенной. Эти выводы можно обобщить, сформулировав в явном виде следующее утверждение:

Закон самоорганизации. Максимальный уровень организации материи во Вселенной растет со временем в процессе консервативной эволюции, проходящей через последовательность качественно различных структурных форм.

Мы будем рассматривать сформулированное утверждение только как обобщение экспериментальных фактов. Таким образом, закон самоорганизации - это феноменологический закон, несколько напоминающий второе начало термодинамики. Он устанавливает факт и характер направленности эволюции Вселенной, не вскрывая причин такой эволюции.

Закономерен вопрос: не является ли обобщение, приводящее к закону самоорганизации, слишком прямолинейным? Можно ли, например, процесс распада кварк-глюонной плазмы на адроны рассматривать в одном ряду с происхождением жизни? На этот вопрос трудно дать совершенно однозначный ответ, так как непонятно, что в данном случае в точности значит "слишком" и "не слишком". Однако общность термодинамического механизма, лежащего в основе всех ступеней качественной эволюции - диспропорционирование энтропии с использованием уже имеющихся низкоэнтропийных структур - является указанием на законность такого обобщения.

Коль скоро закон самоорганизации сформулирован, немедленно возникает следующий вопрос: да, закон самоорганизации действовал в прошлом, но должны ли мы считать, что на разуме закон внезапно перестаёт работать, и разум является точкой в качественной эволюции Вселенной? A priori для этого не видно оснований. Поэтому можно попытаться экстраполировать закон в более или менее отдалённое будущее. Фактически, это есть использование закона самоорганизации для предсказания новых явлений вне той области, где он был установлен. Эти предсказания, в свою очередь, должны быть подвергнуты экспериментальной проверке. Как будет ясно из дальнейшего, такой экспериментальной работой, возможно, является деятельность в рамках программы SETI, хотя могут существовать и совершенно другие возможности.

Мы видели, что материя в своём развитии проходила через качественно различные ступени, поэтому экстраполяция закона показывает, что за разумом может последовать некоторая структура, в чём-то качественно отличная от него и, по всей видимости, превосходящая его в уровне организации подобно тому и в той же степени, как разум отличается от неразумной жизни или жизнь отличается от неживой материи. А за этой ступенью может последовать и целая цепочка других. Поэтому разум оказывается одной из нормальных качественных ступеней в эволюции материи во Вселенной, наравне с другими.

Используя закон самоорганизации, можно узнать кое-что о том, что могут представлять собой эволюционные ступени, следующие за разумом. Начать нужно с уточнения терминологии.

Прежде всего зафиксируем, каким образом будет использоваться понятие "разум". В единственной известной нам форме разум социален. Полностью оторванный от социума индивид не ведёт себя как разумное существо, что хорошо известно на примере многочисленных "маугли". Пока нет никаких серьёзных оснований предполагать, что существуют совершенно иные формы разума. Поскольку факты не заставляют принять иную точку зрения, единичным проявлением разума будем считать разумную цивилизацию. Понятия "разумная цивилизация" и "разум" ниже будут использоваться как синонимы. Иными словами разум - социальная форма организации материи. Но не любая социальная форма организации материи является разумом (муравейник не представляет разум). Ниже мы ещё вернёмся к вопросу о качественном отличии разума от неразумной жизни.

В языке отсутствует термин для обозначения уровня структурной организации материи, качественно отличной от разума и превосходящей разум. Термин "сверхразум" кажется столь же неподходящим, как термин "сверхжизнь" для обозначения разума, или "сверххимия" для обозначения жизни. Тем более нелепо назвать разум сверххимией второго порядка. А ведь требуются свои термины для обозначения целой цепочки ступеней, следующих за разумом. Не будем вводить новых терминов и обозначим гипотетическую ступень структурной организации материи, следующую за разумом, через Z₀, следующую ступень - через Z₁, и так далее.

Аккуратное использование закона самоорганизации для предсказания свойств Z₀ состоит в том, чтобы в поиске критериев и свойств Z₀ исходить из обобщения и экстраполяции только тех закономерностей, которые можно вывести из взаимосвязи уже известных ступеней эволюции материи.

Рассмотрим, чем отличается разумная жизнь от жизни вообще. Этот вопрос особенно запутался благодаря последним работам приматологов. Было показано, что высшие обезьяны в той или иной степени обладают всеми способностями, которыми обладает и человек. Однако некоторые успехи в попытке понять, в чём заключается качественное своеобразие разума, всё же, как кажется, имеются. Согласно В.А.Лефевру [6], отличительной особенностью разума является то, что разумный субъект обладает образом себя, который, в свою очередь, обладает образом себя и т. д. - то есть он способен к неограниченно вложенной рефлексии. Похожий критерий выдвигает Э.М.Галимов [5]: разум способен делать логические выводы на основании сделанных раньше логических выводов, которые были сделаны на основании ещё более ранних логических выводов и т. д. - то есть способен к логическому анализу неограниченной сложности. Можно так же отметить, например, следующее. Многие животные способны к счёту в ограниченных пределах, но только человеку дано понятие о ряде натуральных чисел во всей его бесконечности. И так далее. Разум имеет способность к построению потенциально бесконечных концептуальных конструкций, которая несвойственна неразумной жизни. Здесь мы имеем такой критерий разума, который можно назвать внутренним критерием, так как он основан на выделении некоторых внутренних свойств или функций, присущих исключительно разуму. Хотелось бы иметь подобный критерий и в отношении Z₀, однако это, видимо, невозможно, так как мы не знаем, что такое Z₀ и какими внутренними свойствами оно обладает.

Наличие внутренних отличительных свойств Z₀ может иметь и некоторые внешние проявления. Это приводит к понятию внешних критериев. Такие внешние критерии можно было бы использовать для определения Z₀, так как они не апеллируют к заранее неизвестному внутреннему устройству Z₀. Например, Z₀ может обладать много большим временем жизни, чем любая разумная цивилизация, или обрабатывать много большие объёмы информации, или много быстрее. Это примеры внешних количественных критериев. Однако трудно сказать, где находится то количество, когда количество переходит в качество. Представляется, что такие критерии трудно формализовать. Остаётся искать внешние качественные критерии.

Обратимся снова к аналогии. Ни одно животное не способно адекватно отразить в своём сознании суть некоторых действий человека, таких, как, например, доказательство математической теоремы или смысл избирательной кампании. Иными словами, процессы, протекающие в разумной материи, вообще говоря, не могут быть представлены (смоделированы) ни в какой живой материи, разумом не обладающей. Видно, что можно говорить о свойстве непредставимости разума относительно жизни вообще. Экстраполируя эту связь неразумной жизни и разума, получаем искомый внешний качественный критерий Z₀:

(Непредставимость) Разум принципиально не может понять некоторые процессы, происходящие в Z₀.

Мы уже отмечали консервативный характер качественной эволюции структурных форм материи. Можно отметить наличие консерватизма двух типов - один из них можно назвать простым, другой - сильным. Примером простого консерватизма является происхождение тяжёлых элементов в ходе эволюции звёзд. Простота здесь заключается в том, что, хотя тяжёлые элементы и возникают благодаря существованию звёзд, но, возникнув, могут существовать сами по себе, независимо от них. Примером сильного консерватизма является возникновение атомов из протонов и электронов. Здесь протоны, сами состоящие из кварков, включены в атомы в качестве субструктуры; существование атомов без протонов немыслимо. Нетрудно заметить, что, начиная с возникновения тяжёлых элементов, эволюция была всегда сильно консервативна. Предполагая, что и Z₀ возникнет сильно консервативным способом, получаем следующее свойство:

(Сильный консерватизм) Z₀ возникает в результате развития разума и нуждается в разуме для своего существования. Иными словами, разум является носителем Z₀.

Как можно видеть из той же лестницы эволюции материи, каждая из её ступеней устроена таким образом, что предоставляет возможность перехода к следующей. Экстраполяцией отмеченной связи является следующее свойство:

(Эволюционная открытость) Z₀ обеспечивает принципиальную возможность перехода к следующим, еще более высоко организованным состояниям материи.

Таким образом, мы имеем непредставимость, сильный консерватизм и эволюционную открытость как более или менее детальное описание того, что понимается под Z₀.

Рассмотрим теперь один интересный пример возможной реализации Z₀. Предположим, что в Галактике имеется от нескольких десятков до примерно 10⁴ технологических космических цивилизаций. Такое предположение согласуется с отсутствием видимых проявлений внеземного разума.

Таблица 1. Ожидаемые расстояния от Солнечной системы до ближайшей КЦ в зависимости от числа КЦ в Галактике.

В Табл. 1 в первой строке приведено несколько значений N, где N - количество космических цивилизаций в нашей Галактике, а во второй строке показаны рассчитанные ожидаемые минимальные расстояния d от Солнца до ближайшей технологической цивилизации. Расчёт проводился методом Монте-Карло с использованием реалистичной модели распределения звёзд в Галактике [7, стр.,405] и с учётом реального положения Солнца. Видно, что даже при N = 10⁴ ожидаемое расстояние до ближайшей КЦ составляет 730 св.,лет. Нет никакой уверенности, что даже очень высокоразвитая КЦ будет легко обнаружима на таком расстоянии.

Предположим, что технологические цивилизации склонны передавать информацию о себе в космос. Предположим, что вероятность того, что хотя бы одно послание типичной цивилизации будет когда-нибудь принято и дешифровано хотя бы одной другой цивилизацией, близка к единице. Такая ситуация возникает естественным образом в модели "положительной обратной связи" [1]. Далее предположим, что типичная цивилизация, приняв информацию от другой цивилизации, обрабатывает её и ретранслирует в каждом собственном послании наряду с информацией о себе самой. Разумно также предположить, что межзвёздные послания содержат, как правило, всю существенную информацию о пославших их цивилизациях. Тогда, по крайней мере, часть культурного наследия, созданного цивилизацией на протяжении её жизни, не пропадёт после исчезновения этой цивилизации, но будет неопределённо долго циркулировать в объёме галактики, передаваясь от одной цивилизации к другой. Нетрудно понять, что со временем количество накопленной и перерабатываемой в объёме галактики информации будет расти. Вряд ли такой процесс накопления останется чисто пассивным. Скорее, информация начнёт структурироваться, в системе возникнут процессы самоорганизации; система начнёт эволюционировать как целое. Возникает единый объект - галактическое информационное поле, продолжительность жизни которого может многократно превышать время жизни носителей этого поля - отдельных разумных цивилизаций, содержащее информации много больше, чем доступно одной цивилизации, и развивающееся по собственным законам. Проверим выполнение критериев Z₀ для такой системы. Начнём с критерия непредставимости.

Для того чтобы судить о коллективных процессах, протекающих в галактическом информационном поле, цивилизация должна иметь информацию о состоянии этого поля во всем объёме галактики, так как галактика может быть информационно неоднородна. Уместна такая аналогия: по состоянию нескольких соседних нейронов невозможно определить, какой работой занят мозг в целом. Однако, в силу конечности скорости света и большого размера галактики ( 10⁵ св.,лет), единичная цивилизация принципиально не может получить сведения о состоянии поля во всём объёме галактики, относящиеся к текущему моменту времени. Скорее всего, исчерпывающие данные и о прошлых состояниях поля, когда Галактика целиком помещалась в световом конусе прошлого цивилизации, получить практически невозможно. Как узнать, например, содержание сообщений, прошедших вблизи Земли 10⁵ лет назад? Данные, необходимые для восстановления эволюции информационного поля, оказываются недоступными для любой цивилизации, т.е. для любого единичного проявления разума; критерий непредставимости выполняется.

Выполнение критерия сильного консерватизма очевидно, так как разумные цивилизации являются носителями галактического информационного поля.

Далее, если галактическое информационное поле однажды возникнет, оно, скорее всего, будет весьма устойчивым, поэтому шкала времени галактического поля должна быть очень большой [1]. Так как шкала времени галактического поля велика, рано или поздно информационные поля ближайших галактик могут быть объединены. Это создаёт предпосылки для возникновения метагалактического информационного поля. Нетрудно понять, что такое поле будет обладать чертами Z₁, т.~е. критерий эволюционной открытости для галактического поля тоже выполняется.

Таким образом, построен пример возможной реализации Z₀, поэтому возникновение структурных уровней Z_n, превосходящих разум, не следует рассматривать как чистую абстракцию. Имеются и другие пути реализации Z_n [1].

Модель галактического информационного поля ведёт к заключению, что типичное космическое сообщение будет включать огромное количество ретранслированной информации от многих КЦ. Если в рамках программы SETI когда-нибудь удастся принять и дешифровать космическое послание от другой цивилизации, и будет показано, что послание имеет именно такую структуру, то это будет экспериментальным подтверждением того, что Z₀ уже имеет место в форме информационного поля.

Свойство непредставимости Z₀ означает, что возможности разума в познании природы могут быть принципиально ограничены. Хотя разум, возможно, способен сколь угодно далеко проникнуть вглубь фундаментальных законов материального мира, его возможности могут быть ограничены в познании процессов, протекающих в структурных уровнях материи, следующих за разумом. Как мы видели, принципиальные ограничения могут быть, в частности, в понимании процессов, происходящих в глобальных космических информационных полях. То, что природа не познаваема полностью для разума, не значит, что она непознаваема ни для каких других систем. Материальный мир может быть полностью отражен в "сознании" последовательности структурных уровней материи Z₀, Z₁, ... , так как каждый уровень может "познать" сам себя и все нижележащие уровни. Но соответствующие информационные процессы, вообще говоря, нельзя назвать мышлением. Если взять, для примера, галактическое информационное поле, то нетрудно видеть, что даже объект, которым оно оперирует и который обрабатывает, не является информацией в обычном смысле слова. Информация представляет собой, грубо говоря, цепочку бит. Ни о какой привязке чего бы то ни было к пространству-времени в определении информации речь не идёт. В галактическом же поле принципиально важно, что информационный процесс неустранимо делокализован, причём разные части этого процесса не могут быть сведены воедино быстрее, чем со скоростью света. Отсюда возникает некоторое обобщение понятия информации. В этом обобщении имеется опять цепочка бит, но каждый бит снабжен информацией о локализации в пространстве-времени, и имеется ограничение, согласно которому два разных бита не могут быть сопоставлены быстрее, чем с помощью световых сигналов.

Если время жизни каждой КЦ конечно и, возможно, мало в космологической шкале, то можно поставить вопрос о смысле существования разума в форме "короткоживущих" космических цивилизаций. Будем говорить, что система A имеет смысл относительно системы B, если система A нужна для поддержания гомеостазиса или эволюции системы B. В соответствии с этим определением, разум имеет смысл как предпосылка и носитель более высокой формы структурной организации материи Z₀ и как необходимое звено на пути прогрессивной самоорганизации Вселенной. Заметим, что неверно было бы отождествлять понятие смысла с понятием цели: смысл - это когда что-то для чего-то нужно, а цель - это когда не нужно ничего кроме.

Рассмотренный выше сценарий возникновения Z₀ в форме галактического информационного поля ведёт к следующему космологическому императиву: всякая цивилизация должна посылать информацию о себе в космос и пытаться зарегистрировать сигналы от других цивилизаций; зарегистрировав же такой сигнал, она должна обработать его и ретранслировать. Такое поведение обеспечивает глобальную осмысленность существования цивилизации в контексте космологического процесса саморазвития Вселенной. Космологический императив показывает, что реализуемая в настоящее время программа SETI может иметь значение, выходящее далеко за пределы чисто научного любопытства и даже за пределы любых практических интересов земной цивилизации. Контакт между цивилизациями может быть тем механизмом, который позволит Вселенной в очередной раз не остановиться на достигнутом и с помощью разума создать материю с ещё более высоким уровнем структурной организации. Через SETI Вселенная может реализовывать свой потенциал к саморазвитию, поэтому SETI приобретает космологический смысл.

В заключение сформулируем один методологический вопрос. Рассмотрим утверждение: за разумом следует качественно более высокая форма структурной организации материи Z₀. Мы видели, что данное утверждение основано на обобщении и экстраполяции известных научных данных. Но является ли оно само научной гипотезой? Можно убедиться, что оно не удовлетворяет критерию фальсифицируемости Поппера. Нетрудно видеть, что этим же свойством обладает любой прогноз без назначенной даты реализации. Означает ли это, что все такие прогнозы находятся вне науки? Верно ли, что приведённое выше утверждению имеет скорее этическую (благодаря связи с вопросом о смысле существования разума) или метафизическую природу, несмотря на очевидную связь с научными данными?

Литература.

1. А.Д.Панов, Коэволюция космических цивилизаций в больших галактиках. Разум как промежуточное звено эволюции материи во Вселенной и программа SETI/, http://lnfm1.sai.msu.ru/SETI/koi/articles/panov.html, 2002.

2. A.A.Friedmann, Zeitschrift f"ur Physik 10, 377 (1922).

3. E.P.Hubble, Proc. Nat. Acad. Sci. (US) 15, 169 (1929).

4. V.Sahni and P.Coles, Phys. Rep. 262, 1 (1995).

5. Э.М.Галимов, Феномен жизни: между равновесием и нелинейностью. Происхождение и принципы эволюции (Едиториал УРСС, Москва, 2001).

6. В.А.Лефевр, Космический субъект (Ин-кварто, Москва, 1996).

7. К.Аллен, Астрофизические величины (Мир, Москва, 1977).