Fermijev paradoks danas
Tomislav Janović
tomislav.janovic@gmail.com
Tribina Eppur si muove Gradska knjiĹžnica Zagreb 12. prosinca 2018.
2
Fermijev (Ciolkovskijev / Hartov / Tiplerov) paradoks: Ako su izgledi za postojanje IZ inteligencije dobri, zašto nema nikakvog traga o izvanzemaljcima? Fermijevsko očekivanje: S obzirom na procijenjeni broj potencijalno nastanjivih mjesta, svemir bi trebao vrvjeti životom, a onda i inteligentnim životom (čak i ako je vjerojatnost pojave života na bilo kojem danom mjestu razmjerno mala).
Fermijevsko opažanje: Do sada nije zamijećen ni najmanji trag inteligentnog izvanzemaljskog života – čak ni nakon više od pola stoljeća intenzivne potrage (SETI).
Fermijevsko pitanje: Gdje su svi, dovraga???
3
Kako razriješiti paradoks? ✘ revidirati Fermijevsko očekivanje ○ Ili tako da se pokaže da je broj potencijalno nastanjivih tijela u svemiru daleko manji
nego što se mislilo
○ Ili tako da se pokaže da je život iznimno rijetka (ili čak jedinstvena) pojava u svemiru
○ Ili tako da se pokaže da je inteligentan život iznimno rijetka (ili čak jedinstvena) pojava u
svemiru
ILI ✘ objasniti Fermijevsko opažanje ○ npr. pokazati da postoje posebni razlozi koji, unatoč opravdanosti Fermijevskog
očekivanja (o raširenosti inteligentnog života), onemogućuju detekciju postojanja TC izvan Zemlje → pokazati zašto (u danom slučaju) odsustvo dokaza ne treba smatrati dokazom odsustva
4
Neka rješenja ✘ Oni uopće ne postoje! (Unique Earth Hypothesis) ✘ Ako postoje, izuzetno su rijetka pojava u svemirskim razmjerima. (Rare Eearth Hypothesis) ✘ Predaleko su: njihov signal još nije mogao stići do nas, a možda nikada ni neće. ✘ Izumrli su prije nego što su uspjeli s nama kontaktirati. (Vremenski smo se mimoišli!)
✘ Nisu razvili tehnologiju za uspostavu kontakta. ✘ Nemaju interesa za uspostavu kontakta. ✘ Oprezni su: samo slušaju, ništa ne šalju. (Dark Forrest Hypothesis) ✘ Upravo su na putu prema nama. ✘ Drže nas u izolaciji i proučavaju nas. (ZOO Hypothesis) ✘ Drže nas u simulaciji. ✘ Među nama su, samo mi to ne znamo. (NLO i slični scenariji)
✘ ...ili neki drugi, još bizarniji razlog (vidi: Stephen Webb: Gdje su svi ? Ili:
http://io9.com/11-of-the-weirdest-solutions-to-the-fermi-paradox-45685074 )
5
Empirijski pristup FP-u ✘ izravni: aktivni i pasivni SETI ✘ neizravni ○ proučavanje uvjeta nastanka i evolucije života na Zemlji ○ proučavanje uvjeta za postojanje života na drugim tijelima Sunčeva sustava ○ detekcija i analiza egzoplaneta, osobito onih unutar habitabilnih zona bližih zvijezda
NASA-ine misije: ■ Hubble ■ Kepler & K2 ■ TESS ■ Genesis ■ James Webb Space Telescope
https://www.nasa.gov/kepler/topscience
Trappist 1e – „Druga Zemlja”
http://www.trappist.one/
OgraniÄ?enost prostora pretrage
Drakeova jednad탑ba (1961) o jednostavan matemati훾ki
model za procjenu broja (vjerojatnosti postojanja) TC izvan Zemlje (N)
o umno탑ak pojedina훾nih
vjerojatnosti relevantnih parametara
12
Izvorne Drakeove procjene u usporedbi s današnjim R* (stopa stvaranja zvijezda odgovarajućeg tipa) = 1/god. (1,5 – 3) fp (postotak takvih zvijezda s planetarnim sustavom) = 20 – 50% (≈ 100%) ne (broj planeta po planetarnom sustavu pogodnih za život) = 1 – 5 (≈ 4) fl (postotak takvih planeta na kojima se pojavljuje život) = 100% fi (postotak planeta na kojima se pojavljuje inteligentan život) = 100% fc (postotak takvih planeta s tehnološki naprednom civilizacijom) = 10 – 20% L (vrijeme trajanja tehnološki napredne civilizacije) = 103 – 108 godina
A. Frank & W. T. Sullivan III (2016*) ✘ procjena (u okvirima reda veliÄ?ine) uÄ?estalosti inteligentnog (= tehnoloĹĄki
naprednog) Ĺživota na razliÄ?itim skalama (od galaktiÄ?ke do kozmiÄ?ke)
✘ revidirana Drakeova jednadĹžba → redukcija desnog dijela jednadĹžbe na dva
jedinstvena faktora: „astrofiziÄ?kiâ€? (Nast) i „biotehnoloĹĄkiâ€? (đ?‘“bt )
✘ procjena faktora Nast na temelju najnovijih podataka o raĹĄirenosti i fiziÄ?kim
karakteristikama planetarnih sustava u naĹĄoj galaksiji
✘ izbacivanje zadnjeg parametra iz Drakeove originalne jednadĹžbe (prosjeÄ?nog trajanja
tehnoloĹĄke civilizacije) → preformulacija pitanja: „kozmiÄ?ko arheoloĹĄko pitanjeâ€? (A) umjesto procjene stanja u nekom (npr. aktualnom) vremenskom odsjeÄ?ku
* „A New Empirical Constraint on the Prevalence of Technological Species in the Universe�, Astrobiology, vol. 16 (5), 2016, str. 359–362
Izvor: Leonor Sierra, „Are we alone? Setting some limits to our uniqueness� (2016) https://www.rochester.edu/news/are-we-alone-in-the-universe/
Frank & Sullivan (2016, p. 360): „With our approach we have, for the first time, provided a quantitative and empirically constrained limit on what it means to be pessimistic about the likelihood of another technological species ever having arisen in the history of the Universe.�
„Linija pesimizmaâ€?: najniĹža procijenjena vrijednost biotehnoloĹĄkog faktora (đ?‘“bt ) pod pretpostavkom naĹĄe „kozmiÄ?ko-arheoloĹĄke jedinstvenostiâ€?
A = Nast x �bt ҧ = A / Nast = 0.01* / 4 x 1021 = 2.5 x 10�24 �bt
* „Adopting A = 0.01 means that in a statistical sense were we to rerun the history of the Universe 100 times, only once would a lone technological species occur.� (ibid., str. 360)
Kvantitativna ograniÄ?enja na procijenjeni broj TC (za razliÄ?ite svemirske skale) skala primjene galaksija skup galaksija nadskup galaksija vidljivi svemir
Frank & Sullivan 2016, str. 362
veliÄ?ina Rs
broj galaksija
Nast
đ?‘“bt za A=1
0.1
1
6 x 1010
1.7 x 10-11
5
300
2 x 1013
4 x 10-14
300
3000
9 x 1015
2 x 10-15
13.700
7 x 1010
4 x 1021
2.5 x 10-22
(u milijunima svjetl. godina)
A. Frank (2016)*: „One in 10 billion trillion is incredibly small. (…) To me, this implies that other intelligent, technology producing species very likely have evolved before us. Think of it this way. Before our result you’d be considered a pessimist if you imagined the probability of evolving a civilization on a habitable planet were, say, one in a trillion. But even that guess, one chance in a trillion, implies that what has happened here on Earth with humanity has in fact happened about a 10 billion other times over cosmic history!” * Interview with Leonor Sierra ( https://www.rochester.edu/news/are-we-alone-in-the-universe/ )
…ipak, previše je nepoznanica koje potiču skepticizam ✘ Što pojam „habitabilne zone” uključuje, a što isključuje? Što su to „povoljni
uvjeti” za razvitak života? Što je „okoliš pogodan za život”? Što je život? … ✘ Koliko je širok „prozor vjerojatnosti” nastanka i diversifikacije života? Koliko su fino ugođeni uvjeti koji podržavaju te procese? Postoje li višestruki putovi koji od početnih (abiotičkih) uvjeta vode do pojave života (za bilo koju definiciju života oko koje se znanstvenici mogu složiti)? Je li opravdano proces abiogeneze promatrati kao deterministički proces (kao bilo koji drugi fizički proces)? Ako, da što bi to točno značilo? ✘ Postoje li intrinzična obilježja samog evolucijskog procesa koja taj proces „tjeraju” prema fazi inteligentnog (= tehnološki naprednog) života? ✘ Koji „veliki filteri” djeluju tijekom tog procesa? Jesu li ti filteri iza nas ili ispred nas? Ili možda i jedno i drugo?
NASA Ames/J. Jenkins
A. Sandberg, E. Drexler, T. Ord (2018*): ✘ cilj studije: na temelju dostupnih podataka iz literature uprosječiti pojedinačne
procjene vrijednosti pojedinih parametara (umnožaka) Drakeove jednadžbe, kao i pojedinačne procjene ukupne vrijednosti N.
✘ uprosječene vrijednosti (bilo za pojedinačne faktore Drakeove jednadžbe bilo za
N) obuhvaćaju raspon od desetak redova veličine i predstavljaju mjerilo (proxy) za aktualni stupanj neznanja znanstvene zajednice o vrlo različitim pitanjima relevantnima za procjenu vjerojatnosti izvanzemaljskog života
✘ raspon vrijednosti za N = 1: 53%
–99.6% (za galaksiju) i 39%–85% (za svemir)
✘ raspon očekivane udaljenosti najbliže TC: 10–50% vjerojatnosti da se TC nalazi
unutar kruga polumjera 1 kp od nas (Što znači da je vjerojatnost da se ona nalazi s onu stranu horizonta nama vidljivog svemira nezanemariva!)
* „Resolving the Fermi Paradox”. Poslano u: Proceedings of the Royal Society of London A; 4 supplement, 8. lipnja 2018, arXiv:1806.02404
Sandberg-Drexler-Ord 2018, str. 6
Sandberg, Drexler, Ord (2012*): „When the [Drake] model is recast to represent realistic distributions of uncertainty, we find a substantial ex ante probability of there being no other intelligent life in our observable universe, and thus that there should be little surprise when we fail to detect any signs of it. This result dissolves the Fermi paradox (…) .” (str. 1) „This suggests that people who take the views of most members of the research community seriously should ascribe something like a one in three chance to being alone in the galaxy and so should not be greatly surprised by our lack of evidence of other civilizations. The probability of N < 10−10 (such that we are alone in the observable universe) is 10% (…).” (str. 5) „ ’Where are they?’ — probably extremely far away, and quite possibly beyond the cosmological horizon and forever unreachable.” (str. 16) * „Resolving the Fermi Paradox”. Poslano u: Proceedings of the Royal Society of London A; 4. Supplement. 8. lipnja 2018, arXiv:1806.02404
Filozofski pristup rješenju FP: selekcijski efekt opažanja* ✘ Selekcijski efekt opažanja (Observation Selection Effect): način na koji su
prikupljeni podatci iz neke domene (koja je podskup neke šire domene) ovise o postojanju promatrača i njegovim ograničenjima ✘ Pretpostavka samouzorkovanja (Self-Sampling Assumption): „One should reason as if one were a random sample from the set of all observers in one’s reference class.” (str. 57) ✘ primjena u kozmologiji, evolucijskoj biologiji i astrobiologiji (Fermijev
paradoks), npr:
○ C. Sagan (1995): Nastanak života vrlo je vjerojatan događaj! („The origin of life must be a
highly probable circumstance; as soon as conditions permit, up it pops!”)
○ B. Carter (1983): Izgledi za nastanak života na bilo kojem zemljolikom planetu vrlo su
mali, ako uzmemo u obzir tzv. Antropsko načelo (kao vrstu selekcijskog efekta opažanja)!
* N. Bostrom: Anthropic Bias: Observation Selection Effect in Science and Philosophy, London–New York: Routledge 2002.
Načelo prosječnosti (tipičnosti) ✘ „In the absence of the evidence to the contrary, we should assume that we are
typical members of an appropriately chosen reference class” (Whitmire 2017*)
✘ Jedna od posljedica prihvaćanja NP: Ako je naša vlastita civilizacija jedina takva na
planetu i u vrlo ranoj fazi razvitka, onda je tipična tehnološki napredna civilizacija u svemiru također jedina takva na svom planetu i u vrlo ranoj fazi razvitka. → Ne trebamo očekivati da bi naša civilizacija trebala biti dugovječna (tj. izdići se iznad trajanja prosječnog člana svoje referentne klase). → Veliki filter je ispred nas!!
✘ Naravno, moguće je da tipična tehnološka vrsta u svemiru traje milijune godina i
da nije jedini primjerak takve vrste na svom planetu, no u tom je slučaju čovječanstvo velika iznimka u svemiru
* D. P. Whitmire: „Implications for our Technological Species Being First and Early. Int. Journal of Astrobiology, 3.8.2017.,
https://www.cambridge.org/core/journals/international-journal-of-astrobiology/article/implication-of-our-technological-speciesbeing-first-and-early/EB38BDC09C0908578184835C8B072390
Brandon Carter (1983)*: primjena antropskog načela na pitanje vjerojatnosti pojave i evolucije života ✘ početni korak Carterove argumentacije: uočena podudarnost između dvaju
vremenskih raspona – trajanja biološke evolucije na Zemlji (te ≈ 0.4x1010 godina) i trajanja glavne faze životnog vijeka Sunca (τ0 ≈ 1010 godina) ✘ Carterovi zaključci: o tipično vrijedi: te >> τ0 , što znači da je Zemlja nevjerojatno rijetka iznimka (čak i na
kozmičkoj skali) o TC se tipično neće razviti (čak ni na onim planetima koji su inače podobni za nastanak života i njegovu diversifikaciju); o Broj „kritičnih koraka” u ljudskoj evoluciji (prije pojave civilizacije) iznenađujuće je mali (1 ≤ n ≲ 2), što znači da je život, nakon što se pojavio na Zemlji, relativno lako napredovao do stadija visoke tehnologije. (Drugim riječima, problem je u inicijalnim uvjetima koji su rijetko zadovoljeni!)
* „The Anthropic Principle and its Implications for Biological Evolution”, Phil. Trans. Soc. Lond. A, vol. 310 (1512) 1983: 347–363
Fermijev paradoks danasâ&#x20AC;&#x2039;
Kristina Ĺ ekrst 12. prosinca 2018.
Veliki filter • to što nismo našli izvanzemaljske civilizacije u svemiru implicira da je nešto pogrešno u argumentima koji tvrde da je izvanzemaljski život vjerojatan • Robin Hanson smatra da je barem jedan od sljedećih elemenata malo vjerojatan: 1.
točno određena vrsta zvjezdanoga sustava (planet u naseljivoj zoni)
2.
reproducirajuće molekule (RNA, DNA)
3.
jednostavni prokariotski život
4.
kompleksni eukariotski život
5.
spolna reprodukcija
6.
višestanični život
7.
životinje s velikim mozgovima koje se koriste alatima
8.
stanje u kojemu smo sad
9.
eksplozija kolonizacije.
Kardašovljeva skala: 1. tip 1: planetarna civilizacija 2. tip 2: stelarna civilizacija 3. tip 3: galaktička civilizacija
Hipoteza rijetke Zemlje • Peter Ward (geolog i paleontolog) i Donald E. Brownlee (astronom i astrobiolog): Rare Earth: Why Complex Life is Uncommon in the Universe • nastanak višestaničnih organizama, shodno i inteligencije, zahtijeva vrlo rijetku kombinaciju kozmoloških, geoloških i bioloških događaja i uvjeta • izvanzemaljski život zahtijeva planet sličan Zemlji sa sličnim uvjetima, a takvih je planeta malo • u suprotnosti s kopernikanskim principom: Zemlja je običan terestrijalni planet, u čestome tipu galaksije, život je stoga vrlo vjerojatno i čest u svemiru • fine tuning
Hipoteza rijetke Zemlje N* - broj zvijezda u Mliječnoj stazi; ne - prosječan broj planeta u zvijezdinoj naseljivoj zoni; fg - dio zvijezda u galaktičkoj naseljivoj zoni; fp - dio zvijezda u Mliječnoj stazi s planetima; fpm - dio planeta koji su metalni (terestrijalni), a ne plinoviti; fi - dio naseljivih planeta gdje se razvija mikrobni život; fc - dio naseljivih planeta gdje se razvija kompleksni život; fl - dio životnoga vijeka planeta u kojemu je prisutan kompleksni život; fm - dio naseljivih planeta s velikim mjesecom; fj - dio planetarnih sustava s velikim jovijalnim planetima; fme - dio planeta s malim brojem masovnih izumiranja.
Elementi života: voda • širok temperaturni rang za mnoge molekularne reakcije • ugljikove veze stabilne su, a reakcije su ipak brze
• male fluktuacije temperature – stabilan medij za kemijske reakcije • visoka specifična toplina: mnogo energije potrebno je da joj se podigne temperatura
• vrlo polarna molekula • voda je uvijek izvor pozitivnog električnoga naboja (vodikovih iona) koji pridonose reakcijama • univerzalno otapalo
Elementi života: kisik? • kisik nije nužan • anaerobni organizmi! • prije 2.3 milijarde godina Great Oxygenation Event
• uzrokovan cijanobakterijama koje počinju provoditi fotosintezu • kisik toksičan većini anaerobnih organizama koji se nisu znali nositi s njime
• dokaz za GOE: banded iron formations
• tanki slojevi željeznih oksida u prekambrijskim sedimentnim stijenama • u morskoj vodi željezo reagira s kisikom koji su otpustile fotosintetske bakterije
Elementi života: C • mi smo bazirani na ugljiku • ugljik je pogodan za stvaranje kompleksnih molekularnih lanaca • temeljne jedinice: aminokiseline • stotine različitih zbog R-grupe • 20 rabi život na Zemlji
RNA • RNA WORLD • RNA kao prethodnik života na Zemlji • RNA može pohranjivati i replicirati genetske informacije • RNA sadržava gen. informaciju i katalizira reakcije • s vremenom je zamijenjena s DNA koja dolazi kao gen. materijal • bitne komponente stanica danas sastavljene su od RNA
Tri domene života (Carl Woese, 1977.) • Bacteria • prokarioti: nemaju staničnu jezgru, imaju nukleoid s DNA, nemaju organele • Archaea • prokarioti • ne formiraju spore za dormantno stanje • često ekstremofili • Eukaryota • eukarioti imaju jezgru i organele • jednostanični ili višestanični
Ekstremofili • žive u okolinama koje bismo smatrali smrtonosnima • npr. acidofili – u kiselinama (pH ≤ 3), alkafili – u lužinama (pH ≥ 9) • npr. termofili (45–122 °C), kriofili (ispod 15 °C) • npr. kserofili (vrlo suhe okoline, pustinje), halofili (vrlo slane okoline, 15 – 37% soli) • npr. piezofili (visok tlak, mijenjaju si membranske strukture) • npr. radiorezistanti (otporni na visoke količine zračenja)
• Deinococcus radiodurans • poliekstremofil • preživljava visoke hladnoće, dehidraciju, vakuum, kiseline i zračenje
Miller-Ureyjev pokus • • • •
abiogeneza – nastanak života iz nežive tvari provjerava mogućnost kem. nastanka života primordijalna juha 1952. Stanley Miller i Harold Urey
• rabe vodu, metan, amonijak i vodik u zatvorenome i steriliziranome sklopu • u prvoj posudi voda koja se grije i proizvodi paru, a u drugoj plinovi i dvije elektrode • elektrode stvaraju električni luk i on simulira munje u praatmosferi • smjesa se hladi i ciklus ponavlja • nakon tjedan dana uočavaju kako je 15% – 20% ugljika iz metana formiralo organske spojeve, čak i aminokiseline
Fosilni dokazi za početak života Cirkoni iz Jack Hillsa, Australija
• najstariji minerali, 4.4 milijarde godina stari • najstariji datirani materijal na Zemlji • uključuju vodu
Isua, Grenland: metamorfne stijene, 3.8 mld. godina stare • najstarije datirane stijene •
12C
biološkoga porijekla
Stromatoliti • stjenovite strukture, formiraju ih bakterije
• izlučuju sluz na kojoj se nakupljaju sedimenti, a veže ih kalcijev karbonat iz bakterija • najstariji prije 3.5 mld. godina
Mikroorganizmi u svemiru • EXOSTACK • bivša njemačka ekspedicija • 30% spora Bacillus subtilis preživjelo gotovo šest godina u kristalima soli, a 80% u prisutnosti glukoze koja stabilizira molekule
• BIOPAN • na ruskoj kapsuli Foton, koja istražuje učinke svemirskoga okoliša na biološkome materijalu kroz dva do tri tjedna izloženosti • EXPOSE • na Međunarodnoj svemirskoj postaji služi za astrobiološke eksperimente • jedan je od rezultata da bi određeni organizmi kao Stichococcus i Acarospora mogli preživjeti međuzvjezdano putovanje ako bi bili unutar kometa ili stijena, koji bi ih štitili od kozmičkoga i ultraljubičastoga zračenja
Panspermija • hipoteza da život postoji u svemiru prenošen meteoroidima, asteroidima, kometima i planetoidima ili čak svemirskim letjelicama slučajno • mikroskopski život – poput ekstremofila – može preživjeti u svemirskim uvjetima, a ako dođe na novi planet i susretne idealne uvjete, može postati aktivan te će evolucija započeti svoj tijek • back/forward contamination
Allan Hills 84001
Meteorit iz Allendea
• meteorit pronađen na Antarktici 1984.
• pao u Chihuahui u Meksiku 1969.
• najstariji marsovski komet (4.091 milijarde godina!)
• najproučavaniji meteorit u povijesti
• 1996. NASA objavila da možda sadržava tragove života • pod mikroskopom se moglo vidjeti nešto što nalikuje na fosile bakterija, no manji su od bilo kojega poznatoga staničnoga života • RNA world?
• kondrule stare 4.567 milijardi godina • ugljični kondriti sadržavaju organske tvari i minerale koji sadržavaju vodu • 287 milijuna godina stariji od najstarije stijene na Zemlji!
Konvergentna evolucija • analogne strukture, forme i funkcije koje nisu naslijeđene u različitim vrstama iz zajedničkoga srodnika • • • • •
let u šišmiša, insekata i ptica eholokacija u šišmiša i kitova dugi vratovi sauropoda i žirafa lišće i trnje u biljaka i algi oko u glavonožaca, kralježnjaka i žarnjaka
• čini se da konvergentna evolucija implicira da je malo puteva za evoluciju na Zemlji • pitanje univerzalne biologije
Veliki filter 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
točno određena vrsta zvjezdanoga sustava (planet u naseljivoj zoni) reproducirajuće molekule (RNA, DNA) jednostavni prokariotski život kompleksni eukariotski život spolna reprodukcija višestanični život životinje s velikim mozgovima koje se koriste alatima stanje u kojemu smo sad eksplozija kolonizacije.
Veliki filter ispred nas • ako rani korak – razvoj života – jest vjerojatan, onda veliki filter tek slijedi • nuklearni rat? virusne infekcije? globalno zatopljenje? asteroidi?
• Doomsday argument • Population Reference Bureau: oko 107 milijardi biološki modernih ljudi do danas – koliko smo dugo na cesti bez nezgode?
• većina je ljudi već rođena • ako kratko živimo, među prvima smo • ako pak dugo živimo, situacija bez nezgode čudna je
Veliki filter iza nas • život kao vrlo nevjerojatna stvar • Rijetka Zemlja!
• skok s jednostavnoga prokariotskoga organizma na eukariotski • na Zemlji 2 milijarde godina traje „skok”
• jednostaničnost na višestaničnost? • no na Zemlji se dogodilo 46 puta neovisno (Grosberg, Strathmann 2007)
• razvoj inteligencije kao čudesni korak? • Bostrom: no news is good news