Могут ли существовать живые существа размером с галактику?

Размеры предметов в нашей Вселенной разнятся от крошечных измерений 10^–19, которые характеризуют взаимодействие кварков, до космических гигантов на расстоянии 10²⁶ метров от нас. В этих 45 возможных порядках жизнь, насколько нам известно, заключена в относительно тесные рамки только 9 из них, примерно в середине универсального диапазона: бактерии и вирусы измеряются микронами (10^–6), а высота самых больших деревьев не превышает 102 метров. Но под Голубыми горами, штат Орегон, растет медовый грибок — бесспорно, единый живой организм — его величина составляет 4 километра. Когда дело доходит до известной нам разумной жизни, диапазон масштабов уменьшается еще сильней — примерно до 3 порядков.

Может ли быть по-другому?

Прогресс теории вычислений предполагает, что духовная и разумная жизнь, вероятно, требует квадриллионов примитивных «ячеек». Однако учитывая, что наш мозг состоит из нейронов, которые сами по себе являются специализированными групповыми одноклеточными организмами, мы можем сделать вывод, что биологические компьютеры должны быть размером примерно с человеческий мозг, чтобы продемонстрировать те возможности, которыми мы обладаем.

_{Высота красных деревьев, таких, как этот секвойядендрон гигантский в национальном парке «Секвойя» в Калифорнии, определяется балансом между гравитацией с одной стороны, а с другой – количеством испарений воды, ее конденсацией и давлением деревьев на поверхность планеты.}

Мы можем представить строение из нейронов, еще меньше наших, в составе искусственных интеллектуальных систем. Элементы электронной схемы, например, в настоящее время значительно меньше нейронов. Но они гораздо более примитивны в своем поведении и требуют вспомогательной надстройки (энергия, охлаждение, коммуникации), которая занимает немалый объем. Вполне вероятно, что тела первых настоящих ИИ будут занимать объемы, не очень превосходящие по размеру объемы человеческого тела, несмотря на то, что фундаментальные различия материалов и архитектуры еще раз доказывает, что в метрической шкале есть что-то особенное.

Что если увеличить спектр? Уильям С. Берроуз в своем романе «Билет, который лопнул» представил, что под поверхностью нашей планеты лежит «огромное неорганическое сознание близ абсолютного нуля мыслящее в неторопливых отложениях кристалла». Астроном Фред Хойл резко и убедительно писал о чувствительном гиперинтеллектуальном «черном облаке», сравнимое по размерам с расстоянием от Солнца до Земли. Его идея предвосхитила концепцию сфер Дайсона, массивных структурах, которые полностью окружают звезды и потребляют большую часть их энергии. Кроме того, она подтвердилась вычислениями, которые выполнили я и мой коллега Фред Адамс: они показали, что наиболее эффективные структуры обработки информации в галактике могут производить грязные ветра, порожденные умершими красными гигантами. На несколько десятков тысячелетий окруженные пылью красные гиганты производят достаточно энергии, имеют достаточно большой градиент энтропии и содержат достаточно сырья для того, чтобы потенциально превзойти в вычислениях биосферы миллиарда планет земного типа.

Насколько огромными могут стать формы жизни, как эта? Интересные идеи требуют не только сложного мозга, но и достаточно количества времени. Скорость нейронных передач составляет около 300 км/ч, то есть сигнал проходит человеческий мозг за 1 миллисекунду. Время человеческой жизни состоит из 2 триллионов передач информации (и каждая передача эффективно усиливается развитой вычислительной системой). Если оба наши мозга и все нейроны были бы в 10 раз больше, а продолжительность наших жизней и нейронная скорость остались бы неизменны, мы бы имели в 10 раз меньше мыслей.

Если бы наш мозг достиг размеров, скажем, Солнечной системы, а скорость нейронных связей — скорости света, то на такое же число передач информации потребовалась бы вся прошедшая жизнь Вселенной, без времени для эволюции. Если бы мозг был размером с галактику, проблема стала бы еще серьезнее — с момента образования всего 10 тысяч сообщений, которые шли из одного края «галактического мозга» до другого. Мы можем утверждать, что трудно представить жизненные формы с устройством мозга, подобного человеческому, которые измерялись бы масштабом, крупнее звездного. Если бы они и существовали, у них буквально не хватило бы времени на функционирование.

Примечательно, что ограничения среды для физических тел заставляют жизнь достигать только таких размеров, которых требует ее интеллект. Высота высочайших секвой ограничивается их неспособностью получать воду, будучи выше 100 метров: лимит установлен комбинацией гравитации Земли (которая притягивает воду вниз), испарения влаги и ее конденсацией, а также поверхностным натяжением земной коры (которое толкает воду вверх). Если мы предположим, что гравитация и атмосферное давление самых пригодных для обитания планет будут в 10 больше земных, то останемся в пределах тех же самых лимитов.

Если также предположить, что большая часть всего живого привязана к планете, Луне или астероиду, то гравитация становится естественной величиной. С ростом размера планеты растет и сила гравитации, а значит увеличивается сила воздействия на кости (или любой другой их возможный эквивалент) какого-либо гипотетического животного — такое утверждение выдвигалось еще в 16 веке голландским ученым Христианом Гюйгенсом. Он сделал вывод, что у животного возникнет необходимость справляться с воздействием большей силы, а значит наращивать костную ткань в поперечном сечении, что означает пропорциональное увеличение размеров тела. Однако все эти хитрости бодибилдинга в конечном счете обречены на провал, потому что масса увеличивается с возведением размера в куб. В целом, максимальная масса подвижных обитателей Земли уменьшается почти линейно с увеличением силы тяжести. Соответственно на планете с гравитацией в 10 раз слабее, чем на Земле, теоретически могли бы существовать животные в 10 раз крупнее земных.

_{ГИПОТЕЗЫ: Голландский ученый Христиан Гюйгенс размышлял о том, как размер планеты может повлиять на размеры в живой природе. Публикация от 1722 г.}

Но существует предел, до которого планета может уменьшаться, и если она становится слишком маленькой (примерно 1/10 массы Земли), ее гравитации больше недостаточно, чтобы удерживать свою атмосферу. Если сравнивать с размерами земных животных, Мы опять ограничены примерно десятичным коэффициентом относительно размеров земных животных.

Жизни необходимо охлаждение. Перед создателями компьютерных микросхем постоянно встает трудность устранения тепла, высвобождаемого при вычислительных процессах. Живые существа озабочены той же проблемой. У больших животных — большой коэффициент соотношения объема к площади поверхности, то есть к «коже». И так как задача кожи — охлаждать тело, а тепло образовывается во всем его объему, крупные животные хуже справляются с самоохлаждением. В 30-х годах прошлого века Макс Клайбер впервые показал, что у земных животных скорость метаболизма на килограмм веса уменьшается с возведением массы тела в степень 0,25. И действительно, если бы темп нагревания не уменьшался, крупные животные буквально сварились бы (как недавно наглядно показали Аатиш Батья и Роберт Крулуич). Если принять, что млекопитающему для функционирования необходима минимально установленная скорость обмена веществ целого организма в 10^–12 Ватт на 10^–9грамма, тогда мы получаем максимально возможную массу организма с учетом ограничивающего термического фактора: чуть больше 1000 тонн, что в 10 раз тяжелее синего кита, рекордсмена нашей планеты по этому показателю.

В принципе, можно вообразить себе «существ» намного крупнее. Если брать за основу принцип Ландауэра о минимальной энергии, необходимой для вычислительного процесса, и предположить, что энергоресурсы сверхмассивного, сверхинертного многоклеточного организма направлены только на медленное воспроизведение своих клеток, мы обнаружим, что трудности механической опоры, а не теплообмен, станут главным фактором, ограничивающим рост. Но в контексте таких величин, становится непонятным, чем бы занималось такое животное и как бы эволюционировало.

Классический короткометражный фильм Чарлза и Рэя Имзов «Степени десяти» был снят более четырех десятилетий назад, но его влияние было огромным. Это может быть связано, к примеру, с появлением в учебных планах порядковых вычислений, что стало прямым источником вдохновения для разработки картографических приложений, вроде Google Earth.

Влияние «Степени десяти» усиливается поразительной симметрией рассказов о внутренней проекции (в которой зритель спускается вглубь шкалы от пикника на берегу озера близ Чикаго до субатомных частиц) и внешней (в которой вид стремительно уносится прочь от Земли, чтобы расположить ее содержимое и ее саму на огромной шкале Космоса).

Может нам, как живым существам, просто повезло уметь удаляться в обоих направлениях и изучать шкалу Вселенной одновременно в большом и малом видах? Вероятно, нет.

Автор: Грегори Лафлин — профессор астрономии и астрофизик Калифорнийского университета в Санта-Крус. Он является соавтором «Пяти возрастов Вселенной: в глубинах физики вечности» и ведет блог на okl.org.

Оригинал: Nautilus.

Перевели: Денис Пронин и Юрий Гаевский.
Редактировал: Поликарп Никифоров.