О чем рассказывает шкала Кардашова

Когда речь заходит о том, насколько более развитыми, чем мы, могут быть внеземные цивилизации, чаще всего упоминают шкалу Кардашова. Она предполагает возможность существования цивилизаций, способных управлять энергией целых галактик. Но означает ли это, что они действительно развиты?

Инопланетяне

Наука о внеземных цивилизациях до сих пор находится в зачаточном состоянии, что неудивительно, ведь ни одного их представителя до сих пор никто не видел и не слышал. Однако в этой области уже сформировалось несколько концепций, которые широко применяются как в научных исследованиях, так и в популярном изложении современного положения дел.

Одна из них — шкала Кардашова, которая описывает, насколько развитыми цивилизациями мы можем встретиться. Их делят на три типа, в зависимости от суммарной мощности всех проявлений их деятельности (машин, электростанций и т. д.). I тип — те, которые оперируют всей энергией собственной планеты 1,74·1017 Вт. II — те, которые оперируют энергией, сопоставимой со звездой (3,828·1026 Вт для Солнца). III тип — те, которые оперируют энергиями, сопоставимыми со всей галактикой, 8·1036 Вт.

Как нетрудно заметить, разница между I и II типом составляет девять порядков, то есть примерно миллиард раз, а между ІІ и ІІІ — десять порядков, то есть 10 млрд раз. Земная цивилизация не дотягивает даже до первого типа, и это всегда вызывает шок у людей, которым эту картину показывают впервые.

Шкала Кардашова часто представляется как инструмент, который якобы позволяет понять, насколько нас могут превосходить инопланетные цивилизации, существующие уже миллионы, а то и миллиарды лет. Но действительно ли это так? Давайте разберемся вместе.

Передача сигнала на расстоянии

Главное, что стоит знать о происхождении шкалы развития цивилизаций и причинах, по которым она приобрела знакомый нам вид, — это то, что ее автор, Николай Кардашов, был астрофизиком. Не историком, не специалистом по робототехнике и не биологом, а человеком, который привык вглядываться в далекие огоньки на небе и строить теории об их природе.

Сама шкала была представлена в докладе «Передача информации внеземными цивилизациями», представленном на Бюраканской конференции 1964 года, которая проходила в одноименной обсерватории в Армении. С одной стороны, это обусловило то, что концепция очень быстро стала известна всем ведущим мировым специалистам в исследовании внеземной жизни. С другой стороны, это был доклад, прочитанный астрофизиком для астрофизиков.

Кардашов начал с того, что задался вопросом, на каком расстоянии внеземная цивилизация может послать всем остальным сигнал так, чтобы в нем можно было услышать какой-то осмысленный ответ, и что для этого нужно. Поэтому он использовал так называемую теорему Шеннона — Хартли, которая связывает скорость передачи информации с соотношением сигнал/шум, проще говоря, описывает, сколько битов можно передавать за секунду так, чтобы большая часть их не потерялась на пути к адресату.

Кардашов показал, что уровень шума в сигнале, который преодолевает миллионы световых лет пространства, связан с температурой фонового излучения, а та, в свою очередь, зависит от частоты передачи. Именно поэтому самый низкий уровень шума и самая высокая пропускная способность канала достижимы в сантиметровом и дециметровом диапазонах — примерно там, где работают радио, телевидение, Wi-Fi и частично микроволновые печи. Недаром последние по крайней мере раз уже сыграли злую шутку с охотниками за инопланетянами.

На самом деле именно эта часть бюраканского доклада Кардашова больше всего повлияла на поиск внеземных цивилизаций, поскольку определила те частоты, на которых независимо от биологического происхождения и образа мышления в космосе лучше всего посылать сигналы. Самой популярной впоследствии оказалась длина волны излучения в 21 см, однако и на ней ученые до сих пор ничего не услышали.

Оригинальная шкала Кардашова

Однако Кардашов на этом не остановился и от вопроса о частоте перешел к необходимой мощности передатчика. В технические вопросы его конструкции он не вдавался, просто установил ее верхний предел как всю энергию, доступную цивилизации — почти единственную цифру, которую на Земле можно без спекуляций оценить не только по абсолютной величине, но и по годовому приросту.

Во времена Кардашова эти цифры составляли 4×10¹² Вт и 3-4% соответственно. Сейчас суммарное количество энергии, используемое людьми, составляет около 24×10¹³, и это все еще очень мало по сравнению с 1,74·10¹⁷ Вт, которые наша планета получает от Солнца. Что касается темпов роста мощности земной цивилизации, то они со времен Бюраканской конференции менялись неоднократно, но сейчас, когда Азия и Африка находятся в стадии активного промышленного роста, примерно такие же, как и в 1960-е.

Как бы там ни было, Кардашов в своей работе прибег к линейной экстраполяции имеющихся у него цифр и выяснил, что при устойчивом росте энергопотребления мы за 3200 лет достигнем уровня потребления энергии, сравниваемой с Солнцем, а за 5800 — со всем Млечным Путем. Эти состояния он и назвал цивилизациями II и III типов и в дальнейшем рассматривал именно их, потому что речь шла о действительно космических расстояниях.

Кардашов подсчитал, что если бы цивилизация II типа использовала всю свою энергию для передачи сигнала, то полезную информацию из него можно было бы получать в любой точке нашей Галактики даже с антеннами, которые были доступны людям еще во второй половине ХХ века.

При этом максимальная скорость передачи информации, рассчитанная по теореме Шеннона, настолько велика, что инопланетяне могли бы передавать 10 тыс. среднего размера томов своих научных знаний каждые 100 секунд. Цивилизация III типа могла бы делать то же самое для всей видимой части Вселенной.

Где искать инопланетян

Исходя из собственных построений, Кардашов даже дает рекомендации, как другим астрофизикам искать инопланетян. По его мнению, нужно обращать внимание на очень мощные, но точечные источники излучения, то есть такие, площадь которых на небе просто крошечная, и при этом они излучают чрезвычайно много энергии.

Конечно, пик этой энергии должен приходиться именно на сантиметровый и дециметровый диапазоны, то есть лучше их должен быть виден с помощью радиотелескопов. Кроме того, излучение должно быть поляризованным, то есть его колебания будут происходить в одной плоскости.

Сам Кардашов был уверен, что если не цивилизации II, то III типа должны существовать в местах, откуда мы прямо сейчас можем принимать их сигналы. В частности, в качестве кандидата на их передатчик он рассматривал недавно открытый источник CTA 102, который был чрезвычайно мощным и при этом демонстрировал сменность.

К большому сожалению, Кардашов недооценил разнообразие космических объектов. Сейчас мы знаем много точечных источников, которые демонстрируют указанное им поведение и при этом являются вполне естественными. В частности, СТА 102 оказалось активным ядром галактики — квазаром, поглощающим материю и из-за неравномерности этого процесса меняющим яркость.

Действительно ли потребление энергии будет расти с постоянной скоростью

Шкала Кардашова стала популярной благодаря американскому астрофизику Карлу Сагану. Ему же мы обязаны тем, что она из чисто ранговой, то есть имеющей три отметки, превратилась в дискретную, то есть имеющую возможность принимать дробные значения.

Это помогло, в частности, согласовать названные Кардашовым числа с тем количеством энергии, которое Земля получает от Солнца. Сейчас считается, что человечество имеет показатель 0,73 по шкале энергопотребления. С одной стороны, это делает ситуацию более понятной, с другой — создает впечатление, что почти три четверти пути к тому, чтобы получить «единицу», но на самом деле это не так, потому что шкала логарифмическая. То есть чем дальше двигаешься, тем больше ватт мощности нужно добавить в общую казну, чтобы добавить еще одну сотую. Поэтому на самом деле вся человеческая цивилизация все еще потребляет доли процента от того, что Земля получает от Солнца.

Все это ставит гораздо более важный вопрос: действительно ли энергопотребление нашей цивилизации может достичь значений, о которых говорил Кардашов? Наблюдения за темпами его роста, сделанные в течение 60 лет, прошедших с тех пор, как астрофизик сделал свой доклад, не дают однозначного ответа на этот вопрос.

Теперь ученые, в частности известный футуролог Мичио Каку, говорят о том, что даже до цивилизации I типа нам еще 100–200 лет развития, до II типа — тысячелетия, а до III — сотни тысяч лет. Для сравнения можно сказать, что вся история с начала неолитической революции, то есть когда для людей на Ближнем Востоке впервые на Земле земледелие начало играть большую роль, чем охота, прошло всего 10 тыс. лет. То есть получается, что наша цивилизация находится в самом начале невероятно долгого пути.

Действительно ли развитие означает увеличение мощности?

На самом деле в том, что путь к цивилизации III типа может занять сотни тысяч и миллионы лет, нет ничего удивительного. Сам Кардашов предполагал, что обмен информацией какое-то время (тысячи лет) будет односторонним, то есть сигналы от III типа доходят до первого, а в обратном направлении — нет. Но в конце концов все разумные существа доберутся туда, где можно сигналить целой галактикой, как фонариком.

Однако такой взгляд является слишком односторонним, на что еще обращал внимание Карл Саган. Вполне понятно, что Кардашов, как астрофизик, среди возможных моделей поведения инопланетных цивилизаций выбирал ту, которую ему и его коллегам было бы легче всего обнаружить. Ведь если инопланетяне не тратят значительную часть энергии своей цивилизации на то, чтобы сигналить на всю Вселенную о своем существовании и разумности, они фактически остаются невидимыми.

С другой стороны, такой взгляд на суть цивилизации очень характерен для 50–60-х годов в целом. Продолжалась холодная война, и США с СССР тратили очень много ресурсов на демонстрацию собственной мощи. В конце концов, «Царь-бомбу» опробовали всего за три года до Бюраканской конференции.

Но с течением времени ситуация, при которой сверхразвитая цивилизация тратит значительную часть своей колоссальной мощности на распространение знаний среди других форм жизни, отстающих от нее на миллионы лет развития, все больше казалась странной. Ведь возникает вопрос о целесообразности такой деятельности.

Сейчас как одну из главных антитез к идее Кардашова и возможным объяснением парадокса Ферми называют теорию «темного леса» Лю Цысиня. Цивилизации сидят и молчат, потому что сообщать всем вокруг, что ты существуешь и умен, значит нарываться на удар сразу со всех сторон, потому что в космосе нет друзей, есть только конкуренты.

На самом деле теория темного леса ничем не лучше идеи Кардашова с его цивилизациями, фонтанирующими знаниями на всю Вселенную, потому что вместо мирных мегаломанских проектов предусматривают расходование большей части мощности цивилизации на не менее абсурдные военные проекты.

И на самом деле все гораздо проще, ни первые, ни вторые цивилизации на самом деле не очень нужны, потому что большинство ее членов живут своей жизнью и не интересуются другими цивилизациями. А даже такие масштабные проекты, как корабли поколений, космические станции на миллионы жителей или даже терраформирование планет, требуют большой, но значительно меньшей мощности, чем та, которая нужна для поддержания передатчиков цивилизации II и III типов.

В конце концов, даже сам тезис о росте мощности машин как сущности развития цивилизации можно подвергнуть сомнению. Дело в том, что со времен Бюраканской конференции прошло уже 60 лет, а «Царь-бомба» так и осталась самым мощным взрывом, устроенным людьми. Да и наращивание мощности ядерных реакторов, по сути, остановилось еще несколько десятилетий назад.

Вместо мощности специалисты по технологическому развитию все больше говорят об эффективности. А она в большинстве случаев означает «как можно меньше энергии излучать туда, куда не нужно». И особенно ярко это видно на примере систем передачи информации. В 1960-е годы основными устройствами, которые для этого использовались, были теле- и радиовышки.

Принцип их эффективности был прост: поднять как можно более мощный передатчик как можно выше. Однако появление спутников связи сделало передатчики, способные отправить сигнал дальше, чем на 500 км, необязательными. А затем появление различных кабельных сетей и автоматических систем маршрутизации потоков данных перевернуло все в области передачи информации. Современные сотовые сети вообще базируются на передатчиках, мощности которых хватает на несколько сотен метров. А зачем больше, если пакеты данных можно просто передавать как эстафетную палочку?

Кардашов делал свои выкладки для ненаправленного излучения сигнала, и его последователи давно уже подсчитали, что оно на космических расстояниях чрезвычайно неэффективно. Наше эфирное телевидение трудно поймать уже возле Альфы Центавра, а дальше оно теряется в шуме. Но направленный сигнал может преодолевать значительно большие расстояния при меньшей мощности передатчика.

Именно поэтому в настоящее время для космической связи все чаще используются сообщения, направленные узким лучом, желательно лазерным. Проблема в том, что перехватить их случайно в космосе практически невозможно. Аргумент «инопланетяне же как-то общаются между собой, и мы обязательно это услышим» отпадает сам собой.

Каждый день в любом городском автобусе десятки людей общаются с кем-то, кто находится за его пределами, и другие пассажиры не имеют ни малейшего представления о сути их разговора. Только о том, что сосед, как и они сами, смотрит в экран смартфона.

Да и в других отраслях все движется в том же направлении. Квадрокоптер имеет смешную, по сравнению с баллистической ракетой 1960-х годов, мощность. При этом для конструкторов той ракеты он казался бы настоящим творением внеземной цивилизации. А все потому, что в нем используются системы автоматического контроля и обратной связи, которые еще пару десятилетий назад считались невозможными, тем более на такой небольшой машине.

Весь наш опыт последних десятилетий показывает, что мощность не только не нужна, она — не главное. Гораздо лучше повышать эффективность, надежность, сложность поведения наших машин. Во многом увеличение потребления энергии объясняется тем, что население планеты продолжает расти, и сейчас даже в странах, которые мы привыкли называть «третьим миром», люди хотят жить по стандартам энергопотребления, что даже для жителей развитых стран 1960-х могли бы показаться шикарными.

Как изменится энергопотребление, когда по всей планете люди удовлетворят свои потребности в чудесах мира бытовой электроники и электротехники, а она станет еще эффективнее, никто не знает. Вполне возможно, что в будущие века мы так и не достигнем даже I типа по шкале Кардашова.

Вероятно, что будущее — это вовсе не лестница из чистой энергии в небеса, а дом, построенный, на первый взгляд, так, как строили столетия назад, но на самом деле наполненный хитрой техникой, которая по своему функционалу превосходит смартфон настолько же, насколько смартфон превосходит дисковый телефон.

В конце концов, теория Кардашова никак не учитывает даже более традиционный сценарий развития цивилизации: расселение по собственной звездной системе и за ее пределы. Тогда разумные существа действительно могут иметь суммарную мощность машин, сопоставимую если не со всем солнечным излучением, то с долей, достигающей Земли. Но она будет распылена между десятком звездных систем и преимущественно сосредоточена на кораблях, летающих между ними. И ни о каких мегасооружениях речи не будет.

Однако в чем-то винить самого Кардашова не стоит. Он был человеком своей эпохи и с самого начала не претендовал на что-то большее, кроме описания характеристик цивилизации, сигналы от которой он мог бы уловить как астрофизик. Все остальные трактовки его шкалы — более поздние интерпретации. И кто виноват в том, что люди продолжают их повторять, несмотря на то, что развитие земной цивилизации все больше расходится с его предположениями?