Чому життя обмежене тими розмірами, які ми спостерігаємо на Землі.
Розміри речей в нашій всесвіту знаходяться в діапазоні від 10-19 метра (характеристика кваркових взаємодій) до космічних горизонтів на видаленні близько 1026 ступеня метра. В рамках цих 45 порядкових величин життя, наскільки нам відомо, обмежена досить невеликим діапазоном, трохи перевищує дев’ять порядкових величин і знаходяться, приблизно, в середині вселенської шкали. Бактерії і віруси по своїй величині можуть бути менш мікрона (10-6 метра), тоді як розмір найвищих дерев становить приблизно 100 метрів. Гриб під назвою опеньок (honey fungus), зростаючий біля підніжжя Блакитних гір в штаті Орегон, може доходити в довжину до 4 кілометрів, і це, як прийнято вважати, єдина жива істота подібного розміру. Що стосується відомої нам свідомого життя, то її діапазон буде ще менше – приблизно три порядки величин.
Але чи може ситуація бути іншою?
Прогрес в теорії обчислень передбачає, що і наука, і інтелект потребують квадрильйонів примітивних «схемних» елементів. З урахуванням того, що наш мозок складається з нейронів, які самі, по суті, є спеціалізованими об’єднаними одноклітинними організмами, ми можемо зробити висновок про те, що біологічні комп’ютери за своїми фізичними розмірами повинні приблизно відповідати нашому мозку для того, щоб демонструвати наявні в нашому розпорядженні можливості.
Ми можемо собі уявити створення нейронів в системах штучного інтелекту, які будуть менші за розміром, ніж наші. Електронні елементи схеми, наприклад, сьогодні істотно менше наших нейронів. Але вони також простіше в своїй поведінці і вимагають наявності суперструктури підтримки (енергія, охолодження, багатостороння зв’язок), яка займає значний обсяг. Цілком ймовірно, що перший справжній штучний інтелект буде займати такий обсяг, який не буде особливо відрізнятися від розмірів нашого тіла, хоча він і буде заснований на фундаментально інших матеріалах і архітектурі, і це в черговий раз буде свідчити про те, що є щось особливе відносно шкали вимірювань.
А що можна сказати про те кінці спектра, де розташовуються суперразмери? Вільям Берроуз (William S. Burroughs) в своєму романі «Квиток, який лопнув» (The Ticket That Exploded) уявив собі, що під планетарної поверхнею знаходиться «велике мінеральне свідомість на рівні абсолютного нуля мислення в повільних формаціях кристалів». Астроном Фред Хойл (Fred Hoyle) вельми емоційно і переконливо розповів про наукове гіпер-інтелекті «Чорна хмара» (Black Cloud), яке можна порівняти за величиною з відстанню від Землі до Сонця. Його ідея є передвісником концепції сфер Дайсона (Dyson), тобто масштабних структур, які повністю оточують зірку і захоплюють більшу частину її енергії. Ця теорія підтримується також обчисленнями, якими займається мій колега Фред Адамс (Fred Adams) і які свідчать про те, що найбільш ефективні структури в сучасній галактиці, що займаються обробкою інформації, можливо, каталізу всередині темних вітрів, утворених вмираючими зірками – червоними гігантами. Ці червоні гіганти виробляють енергію, достатню для декількох тисяч років, що є достатньою кількістю ентропійного градієнта, а також достатня кількість вихідного матеріалу для потенційного повного розрахунку биосфер мільярдів схожих на Землю планет.
А якими можуть бути, в такому випадку, форми життя? Цікаві думки вимагають не тільки складного мозку, але ще і достатньої кількості часу для їх формулювання. Швидкість передачі інформації в нервових клітинах становить приблизно 300 кілометрів на годину, і це означає, що час проходження сигналу в людському мозку становить приблизно 1 мілісекунди. В такому випадку на людське життя доводиться 2 трильйони одиниць проходжень повідомлень (і кожне проходження, насправді, посилюється багаторазово запараллелельной обчислювальної структурою). Якби наш мозок і наші нейрони були в 10 разів більше, а тривалість нашого життя і швидкість передачі сигналів в нейронах залишилися б незмінними, то нам треба було б в 10 разів менше думок протягом всього нашого життя.
Якби наш мозок неймовірно збільшився в розмірах і був би за своїм розміром можна порівняти з нашою сонячною системою, а також володів би можливістю посилати сигнали зі швидкістю світла, то на передачу такого ж кількість повідомлень треба було б весь час існування всесвіту, і тоді не залишилося б часу для того, щоб еволюція могла б зробити свою роботу. Якби наш мозок був розміром з нашу галактику, то проблема стала б ще більш складною. З моменту її формування часу вистачило б лише на передачу приблизно 10 тисяч повідомлень, які змогли б пройти шлях від одного краю галактики до іншого. Тому важко уявити собі живі істоти, які можна порівняти за складністю з людським мозком, які за своїм розміром були б порівняти з зірками. Якби вони існували, то у них би не було достатньої кількості часу для того, щоб, насправді, щось зробити.
Дивно те, що обмежує вплив середовища на фізичні тіла також змушують життя бути приблизно такого ж розміру, як того вимагає її розум. Висота найвищої червоного дерева обмежується його нездатністю закачувати воду вгору на висоту понад 100 метрів, і ця межа є комбінацією гравітаційних сил Землі (які притягують воду до землі), а також транспірації, поглинання води і поверхневого напруги в ксилемі нашої планети (яка піднімає її вгору). Якщо ми припустимо, що гравітаційна сила і атмосферний тиск більшості потенційно населених планет будуть перебувати в межах фактора 10 по відношенню до земних умов, то ми отримаємо всього пару порядку величин такого ж максимального обмеження.
Якщо ми також припустимо, що більшість видів життя буде пов’язано з якоюсь планетою, Місяцем або астероїдом, то в такому випадку гравітація також створить природну шкалу. Якщо планета стає більше, а її гравітація потужнішою, то навантаження на кістки (або на будь-який інший еквівалентний варіант) гіпотетичного тваринного збільшиться – деякі вчені говорили про це ще в 17-му столітті, в тому числі Християн Гюйгенс. Таке тварина змушена буде збільшити поперечний переріз своїх кісток для того, щоб витримувати більшу силу, яка збільшується на квадратний корінь розміру цієї тварини. Подібного роду зусилля, спрямовані на формування тіла, в кінцевому підсумку, закінчаться невдачею, оскільки маса збільшується на порядок збільшення тіла в кубі. В цілому, максимальна маса здатного пересуватися земного організму буде зменшуватися майже линеарно відповідно до збільшення сили гравітації. І, навпаки, планета, на якій гравітаційні сили будуть в 10 разів менше, ніж на Землі, потенційно може мати тварин, які будуть в 10 разів більше.
Однак існує межа того, наскільки маленькою може бути планета – якщо вона буде незначною за розміром (приблизно менше однієї десятої маси землі), то вона не буде мати силу для того, щоб утримати свою атмосферу. Знову ми обмежені рамками приблизно коефіцієнта 10, який ми спостерігаємо на Землі. Життя, крім того, потрібне охолоджування. Творці комп’ютерних чіпів постійно стикаються з викликом, пов’язаним з необхідністю відводити тепло, що виникає в результаті проведення обчислювальних процесів. Живі істоти мають ту ж саму проблему: великі тварини мають високий коефіцієнт обсягу по відношенню до зовнішньої поверхні, тобто до «шкірі». Оскільки саме шкіра несе відповідальність за охолодження тварини, а його розміри залежать від кількості виробленого тепла, великі тварини мають нижчу здатність охолодження самих себе.
У 1930-х роках Макс КЛЕЙБЕР (Max Kleiber) вперше звернув увагу на те, що величина метаболізму скорочується пропорційно масі тваринного на коефіцієнт 0,25. І, дійсно, якби цей температурний режим не збільшувався, то великі тварини, в буквальному сенсі слова, зварили б себе (недавно це дуже яскраво продемонстрували Аатіш Батіа (Aatish Batia) і Роберт Крулвіч (Robert Krulwich). Якщо ми припустимо, що мінімально необхідна для функціонування ссавця спостерігається величина метаболізму всього тіла дорівнює одній трильйонної вата на нанограмм, то ми отримаємо гранично обмежений в температурному відношенні організм розміром понад 1 мільйон кілограмів, що більше синього кита – абсолютний рекордсмен серед тварин на Землі з точки зору розміру.
В принципі, можна собі уявити «істота» набагато більше за розміром. Якщо ми будемо ґрунтуватися на принципі Ландауера, що описує мінімальну кількість енергії, необхідної для обчислень, і якщо ми припустимо, що енергетичні джерела надмасивної, сверхінертного багатоклітинного організму займаються тільки повільним відтворенням клітин, то ми виявимо, що проблеми механічної підтримки перевершують за своїм впливом відведення тепла як кінцевий обмежувальний фактор росту. Однак при таких величинах залишається неясним, що буде робити подібне створення і як воно зможе розвиватися.
Класичний короткометражний фільм Чарльза і Реї Имз (Charles and Ray Eames) «Коефіцієнт десять» (Powers of Ten) був створений, приблизно, сорок років тому, проте його вплив продовжує залишатися досить значним. Воно може бути пов’язано, наприклад, з виникненням оцінок порядкових величин як центрального аспекту наукової програми, і, крім того, цей фільм є прямим натхненником створення таких картографічних програм як Google Earth.
Вплив книги «Коефіцієнт десять» збільшується за рахунок вражаючої симетрії між наративом спрямованого всередину руху (в якому глядач опускається всередину по шкалі, починаючи від пікніка в Чикаго на березі озера до рівня менше ядра), і дуги спрямованого назовні руху (в якому зображення пульсує з зростаючою швидкістю, ставлячи Землю і її зміст в рамки великої шкали космосу).
Нам як розумних істот просто пощастило, і ми отримали здатність рухатися в обох напрямках, досліджуючи масштаби всесвіту – як в сторону зменшення, так і в бік збільшення? Ймовірно, це не так.
Грегорі Лафлін – професор астрономії та астрофізики Каліфорнійського університету в Санта-Крузі. Він також є співавтором книги «П’ять віків всесвіту – в глибинах фізики вічності» (The Five Ages of the Universe-Inside the Physics of Eternity).
