Серия «Как человечеству добраться до других звезд»

Если путешествие занимает сотни лет, на корабле сменится несколько поколений. Первые пассажиры никогда не увидят другую звезду. Их дети тоже, возможно, не увидят. Кто-нибудь из правнуков должен будет закончить работу, на которую он никогда не соглашался.

Технически корабль превращается в маленькую закрытую цивилизацию.

Нужна еда. Замкнутый круг воды. Кислород. Переработка отходов. Медицина. Роды. Образование. Ремонт оборудования, которое должно работать дольше, чем существует большинство современных государств и компаний.

И еще генетика.

Здесь иногда встречаются красивые числа вроде "нужно ровно сто человек" или "нужно пятьсот". В реальности магического числа нет. В популяционной генетике важна не только численность населения, но и эффективная численность популяции - сколько людей реально участвуют в передаче генов следующим поколениям, насколько равномерно они оставляют потомство, как устроено соотношение полов, насколько популяция переживает случайные потери и так далее.

Можно сильно уменьшить необходимое число живых пассажиров, если везти огромный криобанк спермы, яйцеклеток и эмбрионов. Тогда несколько сотен людей физически обслуживают корабль, а генетическое разнообразие можно постепенно вводить из замороженного архива.

Но тогда компьютер через несколько поколений может начать довольно неприятно интересоваться тем, с кем именно вам желательно завести ребенка.

И генетическая проблема постепенно превращается в политическую.

А с чего правнуки вообще должны продолжать полет?

Вот это мне кажется одной из самых недооцененных проблем кораблей поколений.

Представьте, что несколько сотен людей добровольно отправились к другой звезде.

Прошло двести лет.

Все, кто принимал решение, давно умерли.

Для живущего на корабле человека Земля - полумифическое место из архивных видео. Он родился внутри цилиндра, его родители родились внутри цилиндра, а прадедушка когда-то решил, что через триста лет его потомки должны колонизировать какую-то планету.

А потом эти потомки говорят:

Нет.

Что именно заставит общество столетиями сохранять цель миссии?

Религия? Конституция? Авторитарная система? Культ Земли? Искусственно поддерживаемая культура? Возможность просто развернуться отсутствует, но можно перестать поддерживать исходную социальную структуру задолго до прибытия.

И здесь научная фантастика становится интереснее инженерных схем.

В "Задаче трех тел" Лю Цысинь доводит подобную ситуацию до довольно неприятного предела. После разгрома земного космического флота несколько кораблей оказываются навсегда отрезаны от Земли. Ресурсов для долгого путешествия недостаточно всем, и экипажи приходят к выводу, что выжить можно, уничтожив соседние человеческие корабли и забрав их топливо и запасы.

Они убивают своих, чтобы часть людей могла продолжить полет.

В каком-то смысле эти люди теряют свою человечность - по крайней мере ту систему моральных запретов, с которой они вылетели из Солнечной системы.

И Лю Цысинь делает с читателем довольно неприятную вещь: именно эта ветвь человечества выживает.

Пока оставшиеся на Земле люди выбирают Чэн Синь, которая оказывается неспособна нажать на кнопку взаимного уничтожения, беглецы уже приняли мораль мира, в котором выживание важнее старых запретов. Солнечная система в итоге погибает, а потомки улетевших людей создают межзвездную человеческую цивилизацию.

И здесь возникает довольно страшный вопрос.

Если для того, чтобы пережить межзвездное путешествие, вашим потомкам придется перестать быть похожими на вас - можно ли считать, что миссия удалась?

Можно просто всех усыпить

Классическое решение фантастики - анабиоз.

Посадили людей в капсулы, выключили на сто лет, разбудили у Альфы Центавра. Никаких правнуков, восстаний пятого поколения и компьютерных рекомендаций, с кем вам сегодня желательно размножаться.

К сожалению, настоящего человеческого анабиоза в таком смысле у нас нет.

Но есть менее фантастическая версия - искусственно вызванное состояние, похожее на спячку животных, с сильно сниженным обменом веществ. ESA, например, всерьез изучала идею снижения метаболизма экипажа примерно до четверти нормального уровня для дальних космических миссий. Это уменьшило бы требования к запасам и размеру жилых помещений. European Space Agency

Но это не "поставить человека на паузу".

Животные в спячке остаются живыми системами. Метаболизм не исчезает. Возникают вопросы атрофии мышц, костей, иммунитета, тромбов, повреждения органов и периодических пробуждений.

Для полета на Марс можно обсуждать месяцы.

Для полета к другой звезде нужны десятилетия или века.

Между этими задачами есть небольшая разница.

А обязательно вообще везти взрослых?

Если взрослый человек слишком тяжелый и капризный груз, можно не везти взрослого человека.

Везем эмбрионы.

Роботизированный аппарат прилетает к другой звезде, находит или заранее знает подходящую планету, разворачивает базу, выращивает первые человеческие эмбрионы в искусственных матках, а потом роботы воспитывают детей.

Проблема только в том, что мы пока не умеем ни полностью вынашивать человека вне человеческого организма, ни тем более гарантированно воспитать психически нормального ребенка силами автоматической системы.

Человек вообще довольно долго представляет собой бесполезное существо, которое не умеет ремонтировать термоядерный реактор и почему-то хочет, чтобы его обнимали.

Возможно, вместе с людьми придется выращивать животных. Возможно, нужны будут взрослые роботы с очень сложным социальным поведением. Возможно, искусственная система воспитания окажется сложнее самого звездолета.

Но масса полезной нагрузки уже резко падает.

А дальше возникает следующий вопрос.

А обязательно везти даже эмбрионы?

Что такое эмбрион с точки зрения транспортной задачи?

В значительной степени это генетическая информация плюс очень сложная биологическая машина, которая умеет эту информацию читать.

Если в пункте назначения существует автоматическая фабрика, способная синтезировать ДНК, создавать клетки, производить гаметы или эмбрионы и выращивать организм, то можно везти уже не людей.

Можно везти описание людей.

Человеческий геном содержит около трех миллиардов пар оснований. Если совсем грубо кодировать четыре возможных основания двумя битами, последовательность одного гаплоидного генома занимает теоретический минимум меньше гигабайта. Реальный архив, конечно, будет больше: нужны диплоидные варианты, эпигенетическая и медицинская информация, контроль ошибок, огромное количество геномов и так далее.

Но на фоне звездолета массой в десятки тысяч тонн это уже практически ничего.

И дальше происходит еще более интересная вещь.

Информация вообще не обязана лететь на звездолете.

Представим, что мы отправили к другой звезде автоматическую фабрику. Она летит сто лет, тормозит, строит электростанцию, антенну, химическое производство, лаборатории.

А Земля всё это время продолжает жить.

Когда фабрика готова принимать данные, мы просто отправляем ей геномы по радио или лазерному каналу. Сигнал летит со скоростью света. Можно передать не тысячу заранее выбранных людей, а генетические данные тысяч или миллионов людей, родившихся уже после запуска аппарата.

В какой-то момент человек окончательно перестает быть грузом звездолета.

Звездолет везет только оборудование. А люди догоняют его со скоростью света.

Зонд фон Неймана

Но если автоматическая фабрика умеет добывать местное сырье, строить электростанции, химические производства, синтезировать ДНК и выращивать людей, возникает еще один вопрос.

А зачем отправлять такую фабрику в каждом следующем корабле?

Еще Джон фон Нейман занимался общей теорией самовоспроизводящихся автоматов. Он не проектировал межзвездные зонды, но позднее эту идею естественным образом перенесли в космонавтику.

Так называемый зонд фон Неймана прилетает в звездную систему, добывает местное сырье и строит копии самого себя. Затем копии отправляются к следующим звездам.

Для этого совершенно не нужны магические нанороботы.

Наоборот, наиболее правдоподобная версия выглядит гораздо скучнее и поэтому страшнее по масштабу.

Прилетает несколько тонн или несколько сотен тонн оборудования. Они строят солнечные или ядерные электростанции. Потом шахты. Потом металлургию. Потом станки, способные производить детали для других станков. Потом электронику. Потом химическую промышленность. Потом биореакторы.

А где-то очень далеко в конце этой производственной цепочки появляется завод по производству человеков.

Главная проблема называется технологической замкнутостью. Современная человеческая цивилизация прекрасно умеет делать компьютеры. Но фабрика компьютеров не умеет сделать сама себя. Для нее нужны станки, химикаты, сверхчистые материалы, оптика, горнодобывающая промышленность, энергетика, транспорт и глобальная цепочка поставок, разбросанная по половине планеты.

Поэтому настоящий самовоспроизводящийся зонд должен в каком-то смысле содержать не один завод.

Он должен содержать сжатое семя промышленной цивилизации.

И где здесь заканчивается человек?

И тут мы постепенно приходим к самому странному варианту.

Если можно передать геном как информацию, то какую еще информацию о человеке можно передать?

В сентябре 2026 года исследователи закончили карту центральной нервной системы самца дрозофилы - Male CNS Connectome. Это мозг, зрительные доли и вентральная нервная цепочка: порядка 167 тысяч нейронов и около 125 миллионов синаптических контактов. Причем данные выложили в открытый доступ. Male CNS Connectome

После чего человечество совершило единственно разумную вещь.

Начало издеваться над цифровой мухой.

Появились проекты, которые берут реальную схему связей нервной системы дрозофилы, навешивают на нее упрощенную динамику нейронов и подключают ее к виртуальным телам. Например, существует мод, где полный MaleCNS управляет мухой в Minecraft: игровые зрительные и другие сигналы подаются на настоящие сенсорные нейроны из коннектома, а активность нисходящих и двигательных нейронов превращается в движения персонажа. GitHub

Другие люди подключили эту же нервную систему к гоночной машине на трассе Монако, компьютерным играм и разнообразным экспериментам с цепями вознаграждения. GitHub

Особенно смешно, что исследования полового поведения дрозофилы здесь имеют вполне реальную научную основу: MaleCNS позволяет непосредственно сравнивать половые различия нервной системы. Но интернет, разумеется, очень быстро заинтересовался не сравнительной нейроанатомией, а тем, насколько далеко можно издеваться над сексуальным поведением цифровой мухи.

При этом важно не обрадоваться раньше времени.

Мы не загрузили сознание мухи в компьютер.

Коннектом - это схема соединений. Для полноценного состояния мозга одной проводки недостаточно: важны динамика нейронов и синапсов, нейромодуляторы, химическое состояние клеток, взаимодействие с телом и еще огромное количество биологии. Авторы подобных симуляций сами специально предупреждают, что это не цифровой двойник той самой мухи, мозг которой разрезали для получения данных.

Но сама граница фантастики уже стала довольно забавной.

Еще недавно фраза "скачать мозг животного и запустить его в компьютерной игре" звучала как сюжет киберпанка.

Теперь мы действительно можем скачать из интернета карту всей центральной нервной системы животного и заставить основанную на ней модель бегать по Minecraft.

Просто между этим и скачиванием Бориса Пашинского находится примерно вся современная нейробиология.

И мы пока совершенно не знаем, достаточно ли когда-нибудь будет записать структуру мозга, чтобы восстановить личность. Может оказаться, что нужен полный микроскопический снимок огромного количества состояний клеток. Может оказаться, что часть информации вообще невозможно получить, не разрушив мозг. А может оказаться, что понятие "тот же человек" перестает иметь физически однозначный смысл задолго до того, как возникает инженерная проблема.

Но если когда-нибудь окажется, что человека действительно можно достаточно полно описать информацией, межзвездное путешествие снова радикально меняется.

Не надо перевозить тело.

Не надо перевозить эмбрион.

Возможно, не надо даже перевозить ДНК.

Надо перевезти машину, способную принять сообщение.

Последний вариант: банка с бактериями

Но допустим, что всё оказалось еще хуже.

Через сто лет мы обнаружили огромный астероид, гамма-всплеск, нестабильность Солнца или какую-нибудь другую штуку, после которой человечество и вся земная биосфера гарантированно исчезнут.

Построить человеческий звездолет мы не успеваем.

Что можно сделать?

Запустить очень много маленьких аппаратов с бактериями, спорами, тихоходками, замороженными клетками, генетическими библиотеками - всем, что потенциально способно пережить путешествие и запустить земную жизнь на другой планете.

Это уже не колонизация человечеством.

Это направленная панспермия.

И здесь возникает довольно интересная этическая проблема.

Что, если на выбранной планете уже есть жизнь?

Стандартный ответ звучит очевидно: мы можем уничтожить или необратимо изменить совершенно независимую биосферу.

Но в ситуации, когда земная жизнь гарантированно погибает и времени сначала послать разведчика, потом дождаться ответа, а потом принять решение уже нет, мне этот ответ кажется менее очевидным.

Представим, что мы отправили тысячи капсул к потенциально пригодным мирам.

Если большинство из них стерильны, мы получили шанс сохранить единственную известную нам ветвь жизни.

А если мы случайно попали на планету и обнаружилось, что там уже независимо возникла жизнь, это само по себе является довольно сильным свидетельством того, что жизнь во Вселенной не уникальна. В таком мире мы, возможно, уничтожили одну биосферу другой, но не уничтожили единственный второй росток жизни во Вселенной.

Если же возникновение жизни - событие чудовищно маловероятное, цена бездействия становится обратной. Мы гарантированно позволяем исчезнуть одной из, возможно, крайне немногих биосфер во всей наблюдаемой Вселенной.

Поэтому лично мне трудно придумать этическую систему, в которой в такой ситуации правильным решением будет гарантированно позволить земной жизни исчезнуть, чтобы избежать лишь возможного ущерба неизвестной биосфере. Для этого нужно либо заранее знать, что она там есть, либо считать сохранение чужой жизни принципиально важнее сохранения нашей.

Я не вижу причин, почему человечество в последние десятилетия своего существования должно принять именно такую этику.

Но допустим, нам повезло гораздо больше.

Мы всё-таки прилетели сами.

Акт третий. Приехали. И что теперь?

В фантастике в этот момент корабль обычно красиво садится на зеленую планету.

Это очень удобно.

Поэтому предположим менее удобный вариант: мы нашли мир примерно подходящей массы, на примерно подходящей орбите, с какими-то летучими веществами, но жить на поверхности без скафандра там нельзя.

Теперь надо построить планету.

Сначала вода

Если воды мало, наиболее очевидный источник - ледяные астероиды и кометы.

На первый взгляд идея "перенаправить комету в планету" звучит примерно как план суперзлодея. Но сама физика изменения орбит вполне реальна.

В 2022 году аппарат DART намеренно врезался в астероид Диморф и изменил период его обращения вокруг Дидима примерно на 32 минуты. А более поздние измерения показали даже микроскопическое изменение орбиты всей двойной системы вокруг Солнца. Это первый случай, когда человеческий аппарат измеримо изменил гелиоцентрическую траекторию небесного тела. NASA

Нам совершенно не обязательно двигать комету целиком в последний момент. Если изменить ее скорость совсем немного, но сделать это за годы или десятилетия до встречи, небольшое изменение траектории постепенно превращается в огромное пространственное смещение.

Конечно, между "изменить орбиту 170-метрового астероида" и "организовать регулярную доставку океана на планету" находится очередная совершенно ебанутая инженерная задача.

Но физика здесь хотя бы понятна.

Теперь атмосфера

Популярная культура очень любит Марс.

Растопим полярные шапки, выпустим углекислый газ, нагреем планету парниковым эффектом, посадим растения - готово.

Илон Маск в какой-то момент даже предлагал "nuke Mars".

Проблема заключается в том, что количество доступного CO₂ уже посчитали.

Современное давление на Марсе составляет около 0,6% земного. Если испарить CO₂ из полярных шапок, получится примерно 1,2% земного давления. Если каким-то образом мобилизовать практически все известные доступные источники углекислого газа, оценка доходит лишь примерно до 7% земного давления. NASA Science

Причем один из источников CO₂ - газ, адсорбированный марсианским грунтом. Чтобы извлечь его весь, пришлось бы фактически перекопать всю поверхность Марса примерно на сто метров в глубину. NASA

Поэтому проблема терраформирования Марса состоит не в том, что мы пока не придумали достаточно большую бомбу.

Если на другой планете просто нет нужного количества летучих веществ, придется их привозить.

А если они есть, начинается следующая проблема.

А магнитное поле?

Иногда можно встретить утверждение, что без магнитного поля атмосфера обязательно будет быстро сдута звездным ветром.

Реальность сложнее.

У Венеры нет собственного землеподобного глобального магнитного поля, но атмосфера у нее примерно в 90 раз плотнее земной. У Марса атмосфера действительно сильно изменилась за геологическое время, и взаимодействие с солнечным ветром сыграло в этом роль, но скорость потери атмосферы зависит от массы планеты, состава, температуры верхних слоев, ультрафиолетового излучения звезды, геологического пополнения газов и многих других факторов.

То есть отсутствие магнитного поля не означает автоматически:

атмосфера исчезнет завтра.

И даже если терраформированная атмосфера проживет "всего" сто миллионов лет, это не обязательно инженерная катастрофа.

Если цивилизация умеет построить атмосферу за тысячу лет и потом периодически ее пополнять, сто миллионов лет - довольно комфортный срок обслуживания.

Мы уже обсуждаем цивилизацию, которая построила межзвездный корабль.

Пусть иногда доливает планете воздуха.

Посадим деревья

Нет.

На голой скале нельзя просто посадить дуб и объявить биосферу готовой.

Почва - это не измельченный камень. Это минералы, вода, органическое вещество, бактерии, грибы, корни, беспозвоночные и огромная сеть химических и биологических взаимодействий.

Поэтому терраформирование превращается еще и в задачу экологической инженерии.

Сначала микроорганизмы, способные жить в местной среде. Потом организмы, которые создают органику и меняют грунт. Потом растения. Потом более сложные пищевые сети.

Причем даже на Земле, где мы примерно знаем местную биологию, интродукция одного нового вида регулярно заканчивается тем, что через пятьдесят лет люди бегают по континенту и пытаются понять, как теперь эту дрянь уничтожить.

А здесь мы собираемся сказать:

Сейчас мы спроектируем биосферу целой планеты.

Через триста лет:

Блядь, борщевик опять убежал.

И проблема не только в том, чтобы каждый организм выжил отдельно. Экосистема должна оставаться устойчивой при болезнях, мутациях, изменениях климата и случайных катастрофах.

Мы пока не умеем надежно построить с нуля даже полностью замкнутую земную экосистему для небольшой группы людей.

А собираемся сделать планету.

И откуда взять кислород?

Допустим, мы посадили фотосинтезирующие организмы.

Они производят кислород.

Ура?

Не совсем.

Кислород химически активен. Если поверхность планеты содержит огромное количество восстановленных минералов, первые порции кислорода будут не накапливаться в атмосфере, а окислять поверхность.

На Земле насыщение атмосферы кислородом было результатом очень долгой совместной истории биологии и геохимии.

Поэтому "посадить водоросли и подождать" может означать ждать геологическое время.

Если мы хотим сделать это за столетия или тысячелетия, придется вмешиваться промышленно: перерабатывать минералы, управлять круговоротом углерода, азота, фосфора и других элементов, производить газы в планетарном масштабе.

То есть после горнодобывающей промышленности на Луне, фабрик на Юпитере, термоядерного звездолета и искусственных маток нам наконец понадобится еще одна довольно скромная технология:

планетарная химическая промышленность.

И неожиданно - Галактика

После всего предыдущего может показаться, что колонизация Галактики должна быть еще на несколько порядков безумнее.

Но здесь происходит забавная вещь.

Если мы действительно научились колонизировать одну соседнюю звезду, масштабирование становится одной из самых простых частей всей задачи.

Нам не нужен корабль, который способен пересечь Млечный Путь.

Колония у соседней звезды через какое-то время строит собственную промышленность. Потом собственный звездолет. Потом летит к следующей звезде.

Каждая новая колония становится новой точкой запуска.

Получается не один корабль, летящий через Галактику, а распространяющийся фронт поселений.

Причем звезды сами движутся относительно друг друга. Поэтому даже кораблям с ограниченной дальностью не обязательно каждый раз лететь через огромную пустоту: можно ждать, пока подходящие звездные системы приблизятся друг к другу. В моделях галактического расселения учет движения звезд заметно меняет распространение колонизационного фронта. Исследование Carroll-Nellenback, Frank, Wright и Scharf показывает, что при достаточно консервативных предположениях о скорости кораблей, дальности и частоте запусков расселение может распространиться по Млечному Пути за время, намного меньшее возраста Галактики. При этом вовсе не обязательно, чтобы каждая пригодная система постоянно оставалась населенной. arXiv

В общем, ученые просто сыграли в очень большой и довольно точный Stellaris

Изначально подобные расчеты, конечно, интересовали людей прежде всего из-за парадокса Ферми.

Если распространение по Галактике настолько быстро по сравнению с ее возрастом, то где все?

Но это уже тема для отдельного текста.

Для нас сейчас важнее другой вывод.

Нам не нужно строить корабль, способный пересечь Галактику. Нам нужно построить корабль, способный долететь до следующей звезды.

Если там возникает цивилизация, способная повторить эксперимент, дальше начинает работать размножение.

Именно поэтому идея самовоспроизводящихся автоматов настолько радикально меняет задачу. Одна машина строит две. Две строят четыре. Те летят к новым системам.

Конечно, реальная экспансия никогда не будет идеальной экспонентой. Какие-то аппараты погибнут. Какие-то системы окажутся бесполезными. Какие-то колонии перестанут хотеть лететь дальше. Некоторые цивилизации могут исчезнуть.

Но принцип остается тем же.

Колонизация Галактики - это не один гигантский перелет.

Это очень длинная последовательность сравнительно коротких перелетов.

А другие галактики?

После всего этого возникает довольно естественный соблазн окончательно потерять чувство меры.

А что насчет Андромеды?

Она находится примерно в 2,5 миллиона световых лет от нас.

Даже если каким-то чудом лететь со скоростью 0,1c , путь займет порядка 25 миллионов лет.

При 0,01c - 250 миллионов.

Для человека эти числа практически бессмысленны.

Но к этому моменту статьи мы уже давно перестали требовать, чтобы путешествие пережил конкретный человек.

Если между звездами летит не корабль с экипажем, а самовоспроизводящееся семя цивилизации, десятки миллионов лет становятся не столько проблемой продолжительности человеческой жизни, сколько проблемой надежности машины и сохранности информации.

Можно ли построить устройство, которое будет работать миллионы лет?

Не знаю.

Можно ли сделать его способным ремонтировать себя?

Не знаю.

Можно ли заставить его через 25 миллионов лет помнить, зачем его вообще отправили?

Тоже не знаю.

Но это уже довольно странное место, до которого мы дошли из совершенно невинного вопроса:

А можно ли долететь до другой звезды?

Мы начали с ракеты, которая должна была перевезти человека к соседней звезде, а закончили машиной, которая везет через миллионы лет информацию о том, как построить цивилизацию.

И в этом, мне кажется, самое интересное.

Ни одна из основных проблем, которые мы обсуждали, не выглядит очевидным нарушением законов природы. Термоядерные реакции существуют. Специальная теория относительности разрешает разгоняться до заметной доли скорости света. Электромагнитные катапульты существуют. Мы уже умеем менять орбиты астероидов. Эмбрионы существуют. Геномы можно хранить как информацию. Мы уже реконструировали нервную систему целого животного. Роботы умеют добывать ресурсы и строить другие машины - пока очень ограниченно. Экосистемы существуют, хотя мы совершенно не умеем создавать их с нуля.

Почти каждый отдельный кусок этой картины можно показать пальцем в современной науке и сказать:

Вот. Что-то отдаленно похожее мы уже умеем.

Проблема в том, что между "законы физики не запрещают" и "мы умеем это делать" находится довольно большая пропасть.

Причем для межзвездной колонизации нам придется перепрыгнуть почти все эти пропасти одновременно.

Физика, кажется, не запрещает нам колонизировать звезды. Она просто требует для этого научиться делать примерно всё.

Остальные мои тексты и мемы про физику, науку и прочее лежат здесь: https://t.me/notes_of_phys