Страница:
В целом таблица Кларка при ее внимательном изучении производит сильное впечатление. Из нее непосредственно, например, следует, что к 2100 г. возможности человечества существенно перерастут скромные земные ресурсы. В этом же и состоит вся сущность проблемы дальнейшего развития нашей цивилизации. Неограниченный экспоненциальный и даже "сверхэкспоненциальный" рост всех показателей развития за последние 3-4 столетия есть сугубо неравновесный процесс. Человечество, возникшее как часть биосферы, вышло из состояния равновесия с этой оболочкой Земли, что неизбежно должно привести его к критической ситуации, к необходимости сделать выбор и коренным образом изменить стратегию своего поведения. От этого будет зависить вся предстоящая история человечества. Как же будет выглядеть развитие человечества в будущем?
Всестороннее математическое исследование этой проблемы в последние годы проводилось группой весьма компетентных специалистов, известных под названием "Римский клуб". Сложность задачи состоит в том, что параметры развития человечества (например, промышленное производство на душу населения, загрязнение среды обитания и пр.) являются взаимно связанными. Надо еще иметь в виду, что все глобальные процессы (рост производства и народонаселения, загрязнение среды обитания и пр.) имеют инерцию. Математически задача сводится к решению системы из многих тысяч совместных дифференциальных уравнений, что можно было сделать только с помощью современной вычислительной техники. Соответствующая этой задаче область науки известна как системный анализ.
Прежде всего тщательно оценивались все ресурсы Земли, которые необратимо расходуются в процессе технологического прогресса человечества. Далее, используя все данные экономики и статистики, находят рост производства этих ресурсов и зависимость этого роста от времени, а затем оценивают "время исчерпания" соответствующего вещества. Некоторые результаты этого анализа приведены в табл. 13.
Таблица 13
Вещество
Глобаль-ные запасы, т
% роста в год
?,
годы
Вещество
Глобаль-ные запасы, т
% роста в год
?,
годы
Алюминий
1,2 109
6,4
55
Железо
1,0 1011
1,8
173
Хром
1,7 108
2,6
154
Свинец
108
2,0
64
Уголь
5 1012
4,1
150
Нефть
4,5 1011
4,0
50
Медь
3 108
4,6
48
Природ-ный газ
3 1013 м3
4,7
49
Время исчерпания ресурсов вычислено в предположении, что в течение будущих десятилетий разведанные ресурсы вырастут в пять раз по сравнению с данными, приводимыми в этой таблице. Конечность ресурсов Земли и их грядущее исчерпание в сочетании с прогрессирующим загрязнением среды обитания является решающим фактором в будущей истории нашей цивилизации.
Участники "Римского клуба" особенно тщательно исследовали вопрос о загрязнении окружающей среды деятельностью человека. Поучителен рис. 109, дающий уменьшение кислорода в воде около дна Балтийского моря, которое, по существу, стало мертвым. Важно, что очистка отходов - очень дорогое дело, если мы хотим получить достаточно чистые отходы, а именно это и нужно (рис. 110).
Авторы этого исследования рассчитывают несколько моделей дальнейшего развития человеческого общества. Прежде всего, рассчитывается "стандартная" модель, описывающая дальнейшее развитие так, как оно происходило в прошлом. Соответствующие графики основных параметров развития приведены на рис. 111, который можно озаглавить: "Что произойдет, если ничего не предпринимать".
Анализ этих кривых производит устрашающее впечатление. Вплоть до начала следующего, XXI века будет происходить тот же рост, что и приведенный на рис. 107. Однако после 2030 г. очень быстро наступит катастрофическая ситуация. Численность населения, а также промышленная продукция начнут резко снижаться, а загрязнение среды - расти. Цивилизация прекратит свое существование ("коллапс") и вместе с нею исчезнет и загрязнение. Увы, нас это не должно уже радовать!
Любопытна модель развития цивилизации, которая получается при неограниченном увеличении ресурсов (рис. 112 и 113). В этом случае причиной коллапса будет катастрофическое загрязнение среды. В поисках выхода из положения авторы из "Римского клуба" предлагают установить жесткий контроль, рождаемости при остановке роста промышленности. На рис. 114 приведена соответствующая модель, где рост населения прекращается с 1975 г., рост промышленной продукции прекращается с 1985 г. (эти сроки уже прошли...). Хотя ситуация и смягчается, но все равно коллапс цивилизации только отодвигается на 2-3 столетия.
Следует подчеркнуть, что авторы описанных выше расчетов рассматривают идеализированную модель. Совершенно не учитывается крайняя неравномерность развития, наличие двух антагонистичных систем, острые проблемы развивающихся стран. Не учитывается и возможность возникновения войн, которая реально существует в разделенном на лагери мире. Все эти факторы должны действовать в одном, крайне нежелательном направлении. В качестве панацеи от ожидаемой человечеством в будущем катастрофы авторы "Римского клуба" предлагают коренным образом изменить стратегию поведения цивилизации. Вместо стратегии неограниченного роста - полная остановка роста производительных сил и их точная регулировка (концепция. "равновесной" цивилизации).
Разработка вопросов, касающихся глобальных динамических моделей развития человечества, была выполнена двумя группами советских авторов (В. А. Геловани с коллегами и В. А. Егоров). Прежде всего они математически доказали, что предлагаемое авторами "Римского клуба" "глобальное равновесие" отнюдь не может предотвратить кризис - оно только отодвигает его на сотню - другую лет. И вообще модели, рассматривавшиеся западными авторами, не допускают "нетривиальных" стационарных решений. А "тривиальное" решение, если говорить не на математическом языке, означает смерть (точнее, равенство нулю всех параметров глобальной модели, как-то: уровня производства, населения, загрязнения среды и пр.). В качестве альтернативы советские авторы выдвинули и рассчитали модель, в которой "коллапс" устраняется не остановкой роста, а разумным управлением инвестициями капитала. Для этого, однако, надо большую часть этих инвестиций направить на борьбу с загрязнением, восстановлением ресурсов и ликвидацию эрозии обрабатываемой земли. Как это делать, однако, пока не ясно. По существу, эта модель, допускающая "нетривиальное" стационарное состояние, означает установление на нашей планете режима космического корабля, следующего вместе с космонавтами в неопределенно длительный рейс: каждый грамм вещества на учете и все должно регенерироваться.
Мы, однако, сомневаемся в том, что модель советских авторов снимает проблему "коллапса". Только остановка роста производства и жесткая регламентация в использовании ресурсов и их регенерации, сочетающаяся с тратой львиной доли национального продукта на борьбу с загрязнением среды, как мы надеемся, может решить проблему. Впрочем, надо торопиться, - осталось не так уж много времени (см. рис. 111 - 114), а "эффекты задержки" исчисляются десятилетиями.
Все приведенные рассуждения рассматривают развитие человечества на изолированной маленькой планете с ограниченными ресурсами. Но справедливо ли такое рассмотрение? Об этом речь будет идти в следующей главе.
26. Разумная жизнь как космический фактор.
Уже неоднократно в этой книге шла речь об одной важнейшей тенденции развития разумной жизни - ее активном воздействии на космос. Так, деятельность человека изменила такую существенную характеристику Земли как космического тела, какой является радиоизлучение планеты. Уже сейчас человек начинает менять "генеральный план" Солнечной системы. У Венеры и Марса появились искусственные спутники. А ведь естественных спутников достаточных размеров у Венеры не было в течение миллиардов лет! Вокруг Земли по самым различным орбитам теперь движутся многие тысячи сделанных руками людей спутников. Человек умеет сейчас вызвать такие грандиозные явления природы космического характера, как полярные сияния и магнитные бури. Для этого достаточно взорвать водородную бомбу высоко над поверхностью Земли. К сожалению, поразительная мощность человеческого разума далеко не всегда используется на благо человечества. И как раз ядерные взрывы на больших высотах являются хорошим тому примером...
Но ведь мы наблюдаем только самое начало вступления человечества в космическую эру. Ведь прошло только тридцать лет после события, возвестившего о наступлении этой эры. Что же будет дальше?
Очень трудно сейчас даже представить, какие изменения сможет внести человек в Солнечную систему. Например, Саган предложил радикальную идею "переделки" атмосферы Венеры. Для этого нужно забросить в эту атмосферу некоторое количество одного из видов водоросли хлореллы. Бурно размножаясь в венерианской атмосфере, хлорелла довольно быстро разложит имеющиеся там в большом обилии молекулы CO2. В результате жизнедеятельности этих водорослей атмосфера Венеры начнет обогащаться кислородом. Изменение химического состава атмосферы повлечет за собой значительное уменьшение "парникового эффекта", отчего температура поверхности Венеры понизится. В конце концов, "негостеприимная" планета станет пригодной для обитания... (Забавно, что сразу же появились возражения против этого остроумного проекта. Так, например, некоторые авторы считают вообще недопустимым "загрязнение" Венеры земными формами жизни... Это "возражение" применительно к Венере представляется смешным, однако вопрос о тщательной стерилизации космических кораблей достаточно серьезен.)
Но почему, собственно говоря, мы должны ограничивать деятельность человечества Солнечной системой? И невольно возникает вопрос: не приведет ли в будущем (пусть далеком) деятельность человека к таким радикальным изменениям в Солнечной системе, что они могут быть наблюдаемы со звездных расстояний? В гл. 10 было показано, что никакими из известных современной астрономии методов нельзя обнаружить наличия планет типа Земли даже у ближайших к нам звезд. Но не может ли деятельность разумных существ достигнуть такого масштаба, что этот вывод станет уже неверным? Если это так, то открывается увлекательная возможность по некоторым наблюдаемым характеристикам какой-нибудь звезды сделать вывод, что около нее есть планета, населенная высокоразвитыми разумными существами.
Идеи о грядущей перестройке человеком Солнечной системы неоднократно высказывал К. Э. Циолковский. Например, в книге "Грезы о Земле и небе", изданной в 1895 г., он обращает внимание на несуразность такого положения, когда Земля "перехватывает" только одну двухмиллиардную часть потока солнечного излучения. Он считал, что рано или поздно человечество должно будет овладеть "всем солнечным теплом и светом" и начать расселяться в просторах Солнечной системы. Этот длительный процесс "колонизации" всего околосолнечного пространства человеком, по мысли Циолковского, должен состоять из нескольких этапов. Первый этап - преобразование пояса астероидов. В "Грезах о Земле и небе" разумные существа управляют движением малых планет так, "как мы управляем лошадьми". Энергия, необходимая для поддержания жизни людей на преобразованных астероидах, извлекается с помощью "Солнечных моторов". Лет 90 назад гений Циолковского предсказал появление солнечных батарей - основы энергетики бортовой аппаратуры современных космических ракет!
Преобразованные деятельностью человечества астероиды образуют, по Циолковскому, "цепь эфирных городов". Для создания этих "городов" строительный материал берется вначале из астероидов, "масса которых разбирается до дна". Из этого материала люди будут "лепить" искусственные космические тела с наиболее выгодной формой поверхности. Затем, когда материал астероидов будет исчерпан, в "дело" пойдет Луна (на перестройку Луны Циолковский "кладет" несколько сотен лет).
Наступит очередь Земли, а затем больших планет. По Циолковскому, процесс преобразования околосолнечного пространства займет сотни тысяч и даже миллионы лет. Перестроенная Солнечная система сможет обеспечить теплом и светом жизнь "3 1023 существ, подобных человеку... Это число в 15 1013 раз больше числа жителей на земном шаре, полагая их равным 2 109...".
Циолковский был глубоко убежден в ничем не ограниченных возможностях человеческого разума. Так, в книге "Воля Вселенной. Неизвестные разумные силы", изданной в Калуге в 1928 г., он написал следующие вдохновенные строки: "...Что могущественней разума? Ему - власть, сила и господство над всем космосом. Последний сам рождает в себе силу, которая им управляет. Она могущественнее всех остальных сил природы...". Это подлинный гимн мощи человеческого разума!
Гениальные и дерзновенные мысли К. Э. Циолковского в начале нашего века казались тем немногим его современникам, которые о них знали, смешным чудачеством провинциального школьного учителя. Как изменились времена! Ведь не так уж давно потрясенный мир, затаив дыхание, смотрел по телевидению первый выход человека - советского космонавта А. А. Леонова - в свободное космическое пространство (рис. 115, не сканировался). Со всей очевидностью была продемонстрирована способность человека работать в межпланетном пространстве. А выдающиеся достижения экипажей "Салютов", проводивших разнообразную работу в космосе! А достижения экипажей американских "Аполлонов", проделавших большую работу на поверхности Луны! Это все первая материализация грез Циолковского о перестройке Солнечной системы волей, руками человека. Насколько далеко Циолковский смотрел вперед, видно хотя бы из того, что в 1960 г. его основные идеи, которые мы сформулировали, были, по существу, повторены крупным английским физиком-теоретиком Дайсоном, который, вероятно, не знал ничего о книге Циолковского. Конечно, работа Дайсона написана на основе достижений физики второй половины XX столетия, между тем как высказывания К. Э. Циолковского не имели под собой такого прочного фундамента. Тем более достойна удивления та прозорливость, с которой основоположник астронавтики сумел правильно оценить существенную тенденцию в развитии разумной жизни на нашей планете - необходимость ее экспансии в космос.
Мы сейчас более подробно остановимся на работе Дайсона, потому что она содержит попытку количественного анализа проблемы перестройки будущим человечеством Солнечной системы. Прежде всего, исследователь обращает внимание на поразительно высокие темпы научного и технического развития, характерного для общества разумных существ в "технологическую эру". "Шкала времени" такого развития очень коротка по сравнению с астрономическими и геологическими интервалами времени. В гл. 22 мы уже подчеркивали это применительно к прогрессу радиофизики за последние полвека.
Однако имеется один важный материальный фактор, ограничивающий в конечном итоге научное и техническое развитие общества. Дело в том, что ресурсы вещества, необходимые для такого развития, не являются неисчерпаемыми. Об этом уже шла речь в предыдущей главе. В настоящее время ресурсы вещества, которые используются человечеством в его практической деятельности, ограничиваются биосферой Земли, масса которой порядка 5 1019 г, т. е. около одной стомиллионной массы земного шара. Количество энергии, ежесекундно потребляемой человечеством, приблизительно равно 6 1019 эрг (см. предыдущую главу). Не приходится сомневаться, что ресурсы каменного угля, нефти и других горючих ископаемых будут исчерпаны в течение ближайшей сотни лет (см. предыдущую главу).
С наступлением эры освоения космоса проблема ресурсов цивилизации в принципе меняется самым радикальным образом.
Вполне естественно, что на определенном, достаточно высоком, этапе развития общества с необходимостью возникает тенденция использовать ресурсы вещества и энергии, находящиеся вне Земли, но в пределах Солнечной системы. Каковы же эти ресурсы? Если говорить о ресурсах энергии, то, прежде всего, следует иметь в виду излучение Солнца. Ежесекундно оно излучает 4 1033 эрг. Что касается ресурсов вещества, то здесь основным источником могут быть массы больших планет. Масса планеты гиганта Юпитера составляет, например, 2 1030 г. Чтобы полностью "распылить" массу Юпитера, необходимо затратить энергию порядка 1044 эрг, что равно энергии, излученной Солнцем за 800 лет.
Наиболее рациональным способом использования массы Юпитера согласно Дайсону будет сооружение гигантской сферы радиусом около одной астрономической единицы (т. е. 150 млн. км), в центре которой будет находиться Солнце. При этом, как легко можно подсчитать, толщина сферы была бы такой, что над каждым квадратным сантиметром ее поверхности находилось бы около 200 г вещества. Оболочка такой толщины вполне могла бы быть обитаемой. Вспомним, что масса атмосферы над каждым квадратным сантиметром земной поверхности близка к 1 кг. Человек, как известно, фактически является "двумерным" существом, так как он освоил только поверхность земного шара. Поэтому вполне допустимо считать, что человек в перспективе 2,5-3 тыс. лет создаст "искусственную биосферу" на внутренней поверхности "сферы Дайсона". После реализации этого грандиозного проекта человечество сможет использовать всю энергию, излучаемую его "материнской звездой" - Солнцем. Необходимые для утилизации солнечной энергии машины могут быть размещены на поверхности сферы Дайсона или где-нибудь внутри ее. Поверхность этой сферы будет примерно в 1 млрд. раз больше поверхности земного шара. Сообразно с этим население сферы вполне может достигнуть предсказанной 90 лет назад Циолковским величины...
Дайсон обращает внимание на одно интересное обстоятельство: ряд совершенно независимых величин - массы больших планет, толщина искусственной биосферы, общая энергия солнечного излучения, время существенно технологического развития общества и время, нужное для распыления масс больших планет, оказывается очень хорошо согласованным. "Поэтому, - заключает Дайсон, - если исключить возможность случайной катастрофы, вполне закономерно ожидать, что разумные существа в конце концов будут вынуждены прибегнуть к подобной форме эксплуатации доступных им ресурсов. Следует ожидать, что в пределах нескольких тысяч лет после вступления в стадию технического развития любой мыслящий вид займет искусственную биосферу, полностью окружающую его материнскую звезду".
До этого пункта исследование Дайсона, по существу, было повторением идеи Циолковского, но, конечно, на уровне науки второй половины XX столетия. Далее, однако, Дайсон делает принципиально новый шаг. Он ставит вопрос, как будет "выглядеть со стороны" цивилизация, распространившаяся по внутренней поверхности сферы, окружающей звезду. Так как излучение "центральной звезды" не пройдет сквозь непрозрачную сферу Дайсона, то в межзвездное пространство будет излучать только наружная поверхность этой сферы. Температура последней должна быть примерно такой же, как и средняя температура Земли, т. е. около 300 К. При такой температуре, согласно хорошо известным из физики законам излучения нагретых тел, сфера будет испускать преимущественно инфракрасные (тепловые) лучи с длиной волны от 10 до 20 мкм. Полная мощность излучения сферы Дайсона в инфракрасной области спектра должна быть такой же, как и у центральной звезды в "видимой" области. В противном случае излучение звезды внутри сферы "накапливалось" бы, что привело бы к катастрофическому нагреву искусственной биосферы.
Таким образом, инопланетная цивилизация, развивающаяся в описанном направлении, должна "со стороны" наблюдаться как очень мощный источник инфракрасного излучения. Атмосфера Земли прозрачна для излучения с длиной волны от 10 до 20 мкм. Следовательно, инфракрасное излучение от подобных объектов (если они, конечно, существуют) будет свободно проходить через это "окно прозрачности" в земной атмосфере и вполне может быть наблюдаемо с помощью больших современных телескопов. Чувствительность современной приемной аппаратуры позволяет зарегистрировать такое излучение, если звездная величина "материнской" звезды ярче 8-й, что соответствует расстояниям порядка 100 световых лет (если звезды более или менее похожи на наше Солнце). В ближайшие десятилетия можно ожидать значительного увеличения чувствительности приемной аппаратуры в диапазоне 10 до 20 мкм. Это даст возможность обследовать все объекты до 10-12-й звездной величины. Соответствующие звезды могут быть удалены от нас на расстояния в несколько сотен световых лет. Поэтому Дайсон предлагает для обнаружения инопланетных цивилизаций предпринять систематические поиски "точечных" источников инфракрасного излучения внеземного происхождения.
В принципе возможно, что такое избыточное инфракрасное излучение существует у некоторых звезд, давно уже наблюдаемых оптическими методами. Это может быть либо в том случае, когда инопланетная цивилизация из-за нехватки "строительного материала" - вещества больших планет - не смогла использовать всю энергию излучения от центральной звезды, либо когда она располагается вокруг одной из звезд кратной системы. Мы знаем, согласно исследованиям Су Шухуанга, что жизнь может развиваться и около компонент двойных звезд (см. гл. 11). Первоочередной задачей Дайсон поэтому считает планомерное обследование ближайших к нам звезд, особенно обладающих "невидимыми" спутниками.
# Важные результаты в этом направлении были получены с помощью инфракрасного космического телескопа (ИРАС). Телескоп имел зеркало диаметром 57 см, которое для обеспечения подавления собственною инфракрасного излучения охлаждалось до температуры 10 К (всего на 10 кельвинов выше абсолютного нуля). Инфракрасные детекторы в фокусе зеркала охлаждались до 3 К. Телескоп работал в четырех диапазонах: 8-15, 20-30, 40-80 и 80-120 мкм. Спутник был выведен на почти полярную орбиту (угол наклона плоскости орбиты к плоскости земного экватора 99°) так, что он двигался постоянно над границей день-ночь над Землей, что удобно для проведения картографирования всего неба при постоянных условиях освещенности Солнцем. Работа телескопа продолжалась непрерывно в течение 1983 г. и была закончена в результате израсходования ресурса жидкого гелия. За время работы было исследовано 98% всей небесной сферы и было открыто около 200 000 инфракрасных астрономических объектов. Обработка каталога этих объектов продолжается до настоящего времени.
Для обсуждаемой здесь проблемы результаты ИРАС интересны в нескольких направлениях.
Во-первых, были обнаружены оболочки из твердых частиц около молодых звезд, возможно, указывающие на продолжающийся процесс образования планет. Такие оболочки обнаружены около звезды Вега (? Лиры, расстояние 25 световых лет), Фомальгаут (? Южной Рыбы, 23 световых года), ? Эридана (11 световых лет) и ? Живописца (50 световых лет). Вскоре после этого открытия Смит и Терил с помощью наземного телескопа с коронографом и мозаичного приемника света подтвердили, что оболочка около ? Живописца представляет собой искривленный протопланетный диск. Затем протопланетные диски были обнаружены с помощью наземных телескопов около некоторых молодых звезд типа Т Тельца (например, около HL Тельца), возраст которых 0,1-1 миллион лет. Очень интересно, что сходные диски были обнаружены и у некоторых солнцеподобных звезд, которые, как оказалось, обладают аномальным инфракрасным излучением. Для одного из таких источников IRS 1551 диск был открыт по аномальному радиоизлучению в миллиметровом диапазоне с помощью 45-метрового радиотелескопа в Японии.
Оуман и Жиллет считают, что по данным ИРАС из 335 звезд в пределах 80 световых лет от нас 68 звезд (т. е. около 20%) показывают избыточное инфракрасное излучение, в особенности это относится к звездам классов A и F. Таким образом, около половины A звезд имеют пылевые оболочки, и они сохраняются примерно половину жизни этих звезд - 100 миллионов лет, что как раз совпадает со временем, необходимым для образования больших планет. Это, возможно, указывает и на то, что для более старых звезд типа Солнца планетных систем столько же, сколько и звезд. Но это, конечно, только косвенное указание.
Среди объектов, обнаруженных ИРАС, имеется большое количество таких, которые излучают только в инфракрасном диапазоне и потому не отождествляются ни с какими другими астрокомическими объектами. Эти объекты напоминают по характеру спектра излучение от сфер Дайсона. Однако примерно такими же характеристиками должны обладать звезды, относящиеся к классу красных гигантов - класс звезд с массами, близкими к солнечной, но в своей эволюции зашедшими дальше. В ядре звезды ядерные реакции прекращаются и оно становится более компактным, а атмосфера звезды расширяется до радиуса в несколько астрономических единиц. На периферии атмосферы возникает опять плотная пылевая оболочка.
В. И. Слыш выделил из каталога ИРАС пять наиболее интенсивных объектов (рис. 116), спектр которых наиболее близок к спектру черного тела, не отождествленных с известными астрономическими объектами. Среди них источник G357,3 - 1,3 - сильнейший объект каталога ИРАС. По форме спектра температура соответствует -53 °C. Если предположить, что это излучение исходит от сферы Дайсона и его мощность примерно равна светимости Солнца, то расстояние до объекта всего 20 световых лет. Никаких объектов в оптическом или радиодиапазонах в этой части неба не обнаружено.
Всестороннее математическое исследование этой проблемы в последние годы проводилось группой весьма компетентных специалистов, известных под названием "Римский клуб". Сложность задачи состоит в том, что параметры развития человечества (например, промышленное производство на душу населения, загрязнение среды обитания и пр.) являются взаимно связанными. Надо еще иметь в виду, что все глобальные процессы (рост производства и народонаселения, загрязнение среды обитания и пр.) имеют инерцию. Математически задача сводится к решению системы из многих тысяч совместных дифференциальных уравнений, что можно было сделать только с помощью современной вычислительной техники. Соответствующая этой задаче область науки известна как системный анализ.
Прежде всего тщательно оценивались все ресурсы Земли, которые необратимо расходуются в процессе технологического прогресса человечества. Далее, используя все данные экономики и статистики, находят рост производства этих ресурсов и зависимость этого роста от времени, а затем оценивают "время исчерпания" соответствующего вещества. Некоторые результаты этого анализа приведены в табл. 13.
Таблица 13
Вещество
Глобаль-ные запасы, т
% роста в год
?,
годы
Вещество
Глобаль-ные запасы, т
% роста в год
?,
годы
Алюминий
1,2 109
6,4
55
Железо
1,0 1011
1,8
173
Хром
1,7 108
2,6
154
Свинец
108
2,0
64
Уголь
5 1012
4,1
150
Нефть
4,5 1011
4,0
50
Медь
3 108
4,6
48
Природ-ный газ
3 1013 м3
4,7
49
Время исчерпания ресурсов вычислено в предположении, что в течение будущих десятилетий разведанные ресурсы вырастут в пять раз по сравнению с данными, приводимыми в этой таблице. Конечность ресурсов Земли и их грядущее исчерпание в сочетании с прогрессирующим загрязнением среды обитания является решающим фактором в будущей истории нашей цивилизации.
Участники "Римского клуба" особенно тщательно исследовали вопрос о загрязнении окружающей среды деятельностью человека. Поучителен рис. 109, дающий уменьшение кислорода в воде около дна Балтийского моря, которое, по существу, стало мертвым. Важно, что очистка отходов - очень дорогое дело, если мы хотим получить достаточно чистые отходы, а именно это и нужно (рис. 110).
Авторы этого исследования рассчитывают несколько моделей дальнейшего развития человеческого общества. Прежде всего, рассчитывается "стандартная" модель, описывающая дальнейшее развитие так, как оно происходило в прошлом. Соответствующие графики основных параметров развития приведены на рис. 111, который можно озаглавить: "Что произойдет, если ничего не предпринимать".
Анализ этих кривых производит устрашающее впечатление. Вплоть до начала следующего, XXI века будет происходить тот же рост, что и приведенный на рис. 107. Однако после 2030 г. очень быстро наступит катастрофическая ситуация. Численность населения, а также промышленная продукция начнут резко снижаться, а загрязнение среды - расти. Цивилизация прекратит свое существование ("коллапс") и вместе с нею исчезнет и загрязнение. Увы, нас это не должно уже радовать!
Любопытна модель развития цивилизации, которая получается при неограниченном увеличении ресурсов (рис. 112 и 113). В этом случае причиной коллапса будет катастрофическое загрязнение среды. В поисках выхода из положения авторы из "Римского клуба" предлагают установить жесткий контроль, рождаемости при остановке роста промышленности. На рис. 114 приведена соответствующая модель, где рост населения прекращается с 1975 г., рост промышленной продукции прекращается с 1985 г. (эти сроки уже прошли...). Хотя ситуация и смягчается, но все равно коллапс цивилизации только отодвигается на 2-3 столетия.
Следует подчеркнуть, что авторы описанных выше расчетов рассматривают идеализированную модель. Совершенно не учитывается крайняя неравномерность развития, наличие двух антагонистичных систем, острые проблемы развивающихся стран. Не учитывается и возможность возникновения войн, которая реально существует в разделенном на лагери мире. Все эти факторы должны действовать в одном, крайне нежелательном направлении. В качестве панацеи от ожидаемой человечеством в будущем катастрофы авторы "Римского клуба" предлагают коренным образом изменить стратегию поведения цивилизации. Вместо стратегии неограниченного роста - полная остановка роста производительных сил и их точная регулировка (концепция. "равновесной" цивилизации).
Разработка вопросов, касающихся глобальных динамических моделей развития человечества, была выполнена двумя группами советских авторов (В. А. Геловани с коллегами и В. А. Егоров). Прежде всего они математически доказали, что предлагаемое авторами "Римского клуба" "глобальное равновесие" отнюдь не может предотвратить кризис - оно только отодвигает его на сотню - другую лет. И вообще модели, рассматривавшиеся западными авторами, не допускают "нетривиальных" стационарных решений. А "тривиальное" решение, если говорить не на математическом языке, означает смерть (точнее, равенство нулю всех параметров глобальной модели, как-то: уровня производства, населения, загрязнения среды и пр.). В качестве альтернативы советские авторы выдвинули и рассчитали модель, в которой "коллапс" устраняется не остановкой роста, а разумным управлением инвестициями капитала. Для этого, однако, надо большую часть этих инвестиций направить на борьбу с загрязнением, восстановлением ресурсов и ликвидацию эрозии обрабатываемой земли. Как это делать, однако, пока не ясно. По существу, эта модель, допускающая "нетривиальное" стационарное состояние, означает установление на нашей планете режима космического корабля, следующего вместе с космонавтами в неопределенно длительный рейс: каждый грамм вещества на учете и все должно регенерироваться.
Мы, однако, сомневаемся в том, что модель советских авторов снимает проблему "коллапса". Только остановка роста производства и жесткая регламентация в использовании ресурсов и их регенерации, сочетающаяся с тратой львиной доли национального продукта на борьбу с загрязнением среды, как мы надеемся, может решить проблему. Впрочем, надо торопиться, - осталось не так уж много времени (см. рис. 111 - 114), а "эффекты задержки" исчисляются десятилетиями.
Все приведенные рассуждения рассматривают развитие человечества на изолированной маленькой планете с ограниченными ресурсами. Но справедливо ли такое рассмотрение? Об этом речь будет идти в следующей главе.
26. Разумная жизнь как космический фактор.
Уже неоднократно в этой книге шла речь об одной важнейшей тенденции развития разумной жизни - ее активном воздействии на космос. Так, деятельность человека изменила такую существенную характеристику Земли как космического тела, какой является радиоизлучение планеты. Уже сейчас человек начинает менять "генеральный план" Солнечной системы. У Венеры и Марса появились искусственные спутники. А ведь естественных спутников достаточных размеров у Венеры не было в течение миллиардов лет! Вокруг Земли по самым различным орбитам теперь движутся многие тысячи сделанных руками людей спутников. Человек умеет сейчас вызвать такие грандиозные явления природы космического характера, как полярные сияния и магнитные бури. Для этого достаточно взорвать водородную бомбу высоко над поверхностью Земли. К сожалению, поразительная мощность человеческого разума далеко не всегда используется на благо человечества. И как раз ядерные взрывы на больших высотах являются хорошим тому примером...
Но ведь мы наблюдаем только самое начало вступления человечества в космическую эру. Ведь прошло только тридцать лет после события, возвестившего о наступлении этой эры. Что же будет дальше?
Очень трудно сейчас даже представить, какие изменения сможет внести человек в Солнечную систему. Например, Саган предложил радикальную идею "переделки" атмосферы Венеры. Для этого нужно забросить в эту атмосферу некоторое количество одного из видов водоросли хлореллы. Бурно размножаясь в венерианской атмосфере, хлорелла довольно быстро разложит имеющиеся там в большом обилии молекулы CO2. В результате жизнедеятельности этих водорослей атмосфера Венеры начнет обогащаться кислородом. Изменение химического состава атмосферы повлечет за собой значительное уменьшение "парникового эффекта", отчего температура поверхности Венеры понизится. В конце концов, "негостеприимная" планета станет пригодной для обитания... (Забавно, что сразу же появились возражения против этого остроумного проекта. Так, например, некоторые авторы считают вообще недопустимым "загрязнение" Венеры земными формами жизни... Это "возражение" применительно к Венере представляется смешным, однако вопрос о тщательной стерилизации космических кораблей достаточно серьезен.)
Но почему, собственно говоря, мы должны ограничивать деятельность человечества Солнечной системой? И невольно возникает вопрос: не приведет ли в будущем (пусть далеком) деятельность человека к таким радикальным изменениям в Солнечной системе, что они могут быть наблюдаемы со звездных расстояний? В гл. 10 было показано, что никакими из известных современной астрономии методов нельзя обнаружить наличия планет типа Земли даже у ближайших к нам звезд. Но не может ли деятельность разумных существ достигнуть такого масштаба, что этот вывод станет уже неверным? Если это так, то открывается увлекательная возможность по некоторым наблюдаемым характеристикам какой-нибудь звезды сделать вывод, что около нее есть планета, населенная высокоразвитыми разумными существами.
Идеи о грядущей перестройке человеком Солнечной системы неоднократно высказывал К. Э. Циолковский. Например, в книге "Грезы о Земле и небе", изданной в 1895 г., он обращает внимание на несуразность такого положения, когда Земля "перехватывает" только одну двухмиллиардную часть потока солнечного излучения. Он считал, что рано или поздно человечество должно будет овладеть "всем солнечным теплом и светом" и начать расселяться в просторах Солнечной системы. Этот длительный процесс "колонизации" всего околосолнечного пространства человеком, по мысли Циолковского, должен состоять из нескольких этапов. Первый этап - преобразование пояса астероидов. В "Грезах о Земле и небе" разумные существа управляют движением малых планет так, "как мы управляем лошадьми". Энергия, необходимая для поддержания жизни людей на преобразованных астероидах, извлекается с помощью "Солнечных моторов". Лет 90 назад гений Циолковского предсказал появление солнечных батарей - основы энергетики бортовой аппаратуры современных космических ракет!
Преобразованные деятельностью человечества астероиды образуют, по Циолковскому, "цепь эфирных городов". Для создания этих "городов" строительный материал берется вначале из астероидов, "масса которых разбирается до дна". Из этого материала люди будут "лепить" искусственные космические тела с наиболее выгодной формой поверхности. Затем, когда материал астероидов будет исчерпан, в "дело" пойдет Луна (на перестройку Луны Циолковский "кладет" несколько сотен лет).
Наступит очередь Земли, а затем больших планет. По Циолковскому, процесс преобразования околосолнечного пространства займет сотни тысяч и даже миллионы лет. Перестроенная Солнечная система сможет обеспечить теплом и светом жизнь "3 1023 существ, подобных человеку... Это число в 15 1013 раз больше числа жителей на земном шаре, полагая их равным 2 109...".
Циолковский был глубоко убежден в ничем не ограниченных возможностях человеческого разума. Так, в книге "Воля Вселенной. Неизвестные разумные силы", изданной в Калуге в 1928 г., он написал следующие вдохновенные строки: "...Что могущественней разума? Ему - власть, сила и господство над всем космосом. Последний сам рождает в себе силу, которая им управляет. Она могущественнее всех остальных сил природы...". Это подлинный гимн мощи человеческого разума!
Гениальные и дерзновенные мысли К. Э. Циолковского в начале нашего века казались тем немногим его современникам, которые о них знали, смешным чудачеством провинциального школьного учителя. Как изменились времена! Ведь не так уж давно потрясенный мир, затаив дыхание, смотрел по телевидению первый выход человека - советского космонавта А. А. Леонова - в свободное космическое пространство (рис. 115, не сканировался). Со всей очевидностью была продемонстрирована способность человека работать в межпланетном пространстве. А выдающиеся достижения экипажей "Салютов", проводивших разнообразную работу в космосе! А достижения экипажей американских "Аполлонов", проделавших большую работу на поверхности Луны! Это все первая материализация грез Циолковского о перестройке Солнечной системы волей, руками человека. Насколько далеко Циолковский смотрел вперед, видно хотя бы из того, что в 1960 г. его основные идеи, которые мы сформулировали, были, по существу, повторены крупным английским физиком-теоретиком Дайсоном, который, вероятно, не знал ничего о книге Циолковского. Конечно, работа Дайсона написана на основе достижений физики второй половины XX столетия, между тем как высказывания К. Э. Циолковского не имели под собой такого прочного фундамента. Тем более достойна удивления та прозорливость, с которой основоположник астронавтики сумел правильно оценить существенную тенденцию в развитии разумной жизни на нашей планете - необходимость ее экспансии в космос.
Мы сейчас более подробно остановимся на работе Дайсона, потому что она содержит попытку количественного анализа проблемы перестройки будущим человечеством Солнечной системы. Прежде всего, исследователь обращает внимание на поразительно высокие темпы научного и технического развития, характерного для общества разумных существ в "технологическую эру". "Шкала времени" такого развития очень коротка по сравнению с астрономическими и геологическими интервалами времени. В гл. 22 мы уже подчеркивали это применительно к прогрессу радиофизики за последние полвека.
Однако имеется один важный материальный фактор, ограничивающий в конечном итоге научное и техническое развитие общества. Дело в том, что ресурсы вещества, необходимые для такого развития, не являются неисчерпаемыми. Об этом уже шла речь в предыдущей главе. В настоящее время ресурсы вещества, которые используются человечеством в его практической деятельности, ограничиваются биосферой Земли, масса которой порядка 5 1019 г, т. е. около одной стомиллионной массы земного шара. Количество энергии, ежесекундно потребляемой человечеством, приблизительно равно 6 1019 эрг (см. предыдущую главу). Не приходится сомневаться, что ресурсы каменного угля, нефти и других горючих ископаемых будут исчерпаны в течение ближайшей сотни лет (см. предыдущую главу).
С наступлением эры освоения космоса проблема ресурсов цивилизации в принципе меняется самым радикальным образом.
Вполне естественно, что на определенном, достаточно высоком, этапе развития общества с необходимостью возникает тенденция использовать ресурсы вещества и энергии, находящиеся вне Земли, но в пределах Солнечной системы. Каковы же эти ресурсы? Если говорить о ресурсах энергии, то, прежде всего, следует иметь в виду излучение Солнца. Ежесекундно оно излучает 4 1033 эрг. Что касается ресурсов вещества, то здесь основным источником могут быть массы больших планет. Масса планеты гиганта Юпитера составляет, например, 2 1030 г. Чтобы полностью "распылить" массу Юпитера, необходимо затратить энергию порядка 1044 эрг, что равно энергии, излученной Солнцем за 800 лет.
Наиболее рациональным способом использования массы Юпитера согласно Дайсону будет сооружение гигантской сферы радиусом около одной астрономической единицы (т. е. 150 млн. км), в центре которой будет находиться Солнце. При этом, как легко можно подсчитать, толщина сферы была бы такой, что над каждым квадратным сантиметром ее поверхности находилось бы около 200 г вещества. Оболочка такой толщины вполне могла бы быть обитаемой. Вспомним, что масса атмосферы над каждым квадратным сантиметром земной поверхности близка к 1 кг. Человек, как известно, фактически является "двумерным" существом, так как он освоил только поверхность земного шара. Поэтому вполне допустимо считать, что человек в перспективе 2,5-3 тыс. лет создаст "искусственную биосферу" на внутренней поверхности "сферы Дайсона". После реализации этого грандиозного проекта человечество сможет использовать всю энергию, излучаемую его "материнской звездой" - Солнцем. Необходимые для утилизации солнечной энергии машины могут быть размещены на поверхности сферы Дайсона или где-нибудь внутри ее. Поверхность этой сферы будет примерно в 1 млрд. раз больше поверхности земного шара. Сообразно с этим население сферы вполне может достигнуть предсказанной 90 лет назад Циолковским величины...
Дайсон обращает внимание на одно интересное обстоятельство: ряд совершенно независимых величин - массы больших планет, толщина искусственной биосферы, общая энергия солнечного излучения, время существенно технологического развития общества и время, нужное для распыления масс больших планет, оказывается очень хорошо согласованным. "Поэтому, - заключает Дайсон, - если исключить возможность случайной катастрофы, вполне закономерно ожидать, что разумные существа в конце концов будут вынуждены прибегнуть к подобной форме эксплуатации доступных им ресурсов. Следует ожидать, что в пределах нескольких тысяч лет после вступления в стадию технического развития любой мыслящий вид займет искусственную биосферу, полностью окружающую его материнскую звезду".
До этого пункта исследование Дайсона, по существу, было повторением идеи Циолковского, но, конечно, на уровне науки второй половины XX столетия. Далее, однако, Дайсон делает принципиально новый шаг. Он ставит вопрос, как будет "выглядеть со стороны" цивилизация, распространившаяся по внутренней поверхности сферы, окружающей звезду. Так как излучение "центральной звезды" не пройдет сквозь непрозрачную сферу Дайсона, то в межзвездное пространство будет излучать только наружная поверхность этой сферы. Температура последней должна быть примерно такой же, как и средняя температура Земли, т. е. около 300 К. При такой температуре, согласно хорошо известным из физики законам излучения нагретых тел, сфера будет испускать преимущественно инфракрасные (тепловые) лучи с длиной волны от 10 до 20 мкм. Полная мощность излучения сферы Дайсона в инфракрасной области спектра должна быть такой же, как и у центральной звезды в "видимой" области. В противном случае излучение звезды внутри сферы "накапливалось" бы, что привело бы к катастрофическому нагреву искусственной биосферы.
Таким образом, инопланетная цивилизация, развивающаяся в описанном направлении, должна "со стороны" наблюдаться как очень мощный источник инфракрасного излучения. Атмосфера Земли прозрачна для излучения с длиной волны от 10 до 20 мкм. Следовательно, инфракрасное излучение от подобных объектов (если они, конечно, существуют) будет свободно проходить через это "окно прозрачности" в земной атмосфере и вполне может быть наблюдаемо с помощью больших современных телескопов. Чувствительность современной приемной аппаратуры позволяет зарегистрировать такое излучение, если звездная величина "материнской" звезды ярче 8-й, что соответствует расстояниям порядка 100 световых лет (если звезды более или менее похожи на наше Солнце). В ближайшие десятилетия можно ожидать значительного увеличения чувствительности приемной аппаратуры в диапазоне 10 до 20 мкм. Это даст возможность обследовать все объекты до 10-12-й звездной величины. Соответствующие звезды могут быть удалены от нас на расстояния в несколько сотен световых лет. Поэтому Дайсон предлагает для обнаружения инопланетных цивилизаций предпринять систематические поиски "точечных" источников инфракрасного излучения внеземного происхождения.
В принципе возможно, что такое избыточное инфракрасное излучение существует у некоторых звезд, давно уже наблюдаемых оптическими методами. Это может быть либо в том случае, когда инопланетная цивилизация из-за нехватки "строительного материала" - вещества больших планет - не смогла использовать всю энергию излучения от центральной звезды, либо когда она располагается вокруг одной из звезд кратной системы. Мы знаем, согласно исследованиям Су Шухуанга, что жизнь может развиваться и около компонент двойных звезд (см. гл. 11). Первоочередной задачей Дайсон поэтому считает планомерное обследование ближайших к нам звезд, особенно обладающих "невидимыми" спутниками.
# Важные результаты в этом направлении были получены с помощью инфракрасного космического телескопа (ИРАС). Телескоп имел зеркало диаметром 57 см, которое для обеспечения подавления собственною инфракрасного излучения охлаждалось до температуры 10 К (всего на 10 кельвинов выше абсолютного нуля). Инфракрасные детекторы в фокусе зеркала охлаждались до 3 К. Телескоп работал в четырех диапазонах: 8-15, 20-30, 40-80 и 80-120 мкм. Спутник был выведен на почти полярную орбиту (угол наклона плоскости орбиты к плоскости земного экватора 99°) так, что он двигался постоянно над границей день-ночь над Землей, что удобно для проведения картографирования всего неба при постоянных условиях освещенности Солнцем. Работа телескопа продолжалась непрерывно в течение 1983 г. и была закончена в результате израсходования ресурса жидкого гелия. За время работы было исследовано 98% всей небесной сферы и было открыто около 200 000 инфракрасных астрономических объектов. Обработка каталога этих объектов продолжается до настоящего времени.
Для обсуждаемой здесь проблемы результаты ИРАС интересны в нескольких направлениях.
Во-первых, были обнаружены оболочки из твердых частиц около молодых звезд, возможно, указывающие на продолжающийся процесс образования планет. Такие оболочки обнаружены около звезды Вега (? Лиры, расстояние 25 световых лет), Фомальгаут (? Южной Рыбы, 23 световых года), ? Эридана (11 световых лет) и ? Живописца (50 световых лет). Вскоре после этого открытия Смит и Терил с помощью наземного телескопа с коронографом и мозаичного приемника света подтвердили, что оболочка около ? Живописца представляет собой искривленный протопланетный диск. Затем протопланетные диски были обнаружены с помощью наземных телескопов около некоторых молодых звезд типа Т Тельца (например, около HL Тельца), возраст которых 0,1-1 миллион лет. Очень интересно, что сходные диски были обнаружены и у некоторых солнцеподобных звезд, которые, как оказалось, обладают аномальным инфракрасным излучением. Для одного из таких источников IRS 1551 диск был открыт по аномальному радиоизлучению в миллиметровом диапазоне с помощью 45-метрового радиотелескопа в Японии.
Оуман и Жиллет считают, что по данным ИРАС из 335 звезд в пределах 80 световых лет от нас 68 звезд (т. е. около 20%) показывают избыточное инфракрасное излучение, в особенности это относится к звездам классов A и F. Таким образом, около половины A звезд имеют пылевые оболочки, и они сохраняются примерно половину жизни этих звезд - 100 миллионов лет, что как раз совпадает со временем, необходимым для образования больших планет. Это, возможно, указывает и на то, что для более старых звезд типа Солнца планетных систем столько же, сколько и звезд. Но это, конечно, только косвенное указание.
Среди объектов, обнаруженных ИРАС, имеется большое количество таких, которые излучают только в инфракрасном диапазоне и потому не отождествляются ни с какими другими астрокомическими объектами. Эти объекты напоминают по характеру спектра излучение от сфер Дайсона. Однако примерно такими же характеристиками должны обладать звезды, относящиеся к классу красных гигантов - класс звезд с массами, близкими к солнечной, но в своей эволюции зашедшими дальше. В ядре звезды ядерные реакции прекращаются и оно становится более компактным, а атмосфера звезды расширяется до радиуса в несколько астрономических единиц. На периферии атмосферы возникает опять плотная пылевая оболочка.
В. И. Слыш выделил из каталога ИРАС пять наиболее интенсивных объектов (рис. 116), спектр которых наиболее близок к спектру черного тела, не отождествленных с известными астрономическими объектами. Среди них источник G357,3 - 1,3 - сильнейший объект каталога ИРАС. По форме спектра температура соответствует -53 °C. Если предположить, что это излучение исходит от сферы Дайсона и его мощность примерно равна светимости Солнца, то расстояние до объекта всего 20 световых лет. Никаких объектов в оптическом или радиодиапазонах в этой части неба не обнаружено.