Догматы Томаса Байеса, статистика и министра 18-го века, лежат в основе последних оценок распространенности внеземной жизни
В 12-м эпизоде "космоса", вышедшем в эфир 14 декабря 1980 года, соавтор программы и ведущий Карл Саган познакомил телезрителей с одноименным уравнением астронома Фрэнка Дрейка. Используя его, он подсчитал потенциальное число развитых цивилизаций в Млечном Пути, которые могли бы связаться с нами, используя внеземной эквивалент нашей современной технологии радиосвязи. Оценка Сагана колебалась от “жалких нескольких” до миллионов. “Если цивилизации не всегда уничтожают себя вскоре после открытия радиоастрономии, то небо может тихо гудеть от сообщений со звезд, - произнес Саган в своей неподражаемой манере.
Саган был пессимистичен по поводу того, что цивилизации способны пережить свою собственную технологическую “Юность”—переходный период, когда развитие культуры, скажем, ядерной энергетики, биоинженерии или множества других мощных возможностей может легко привести к самоуничтожению. По существу, во всем остальном он был оптимистом относительно перспектив пангалактической жизни и разума. Но научная основа его убеждений была в лучшем случае шаткой. Саган и другие подозревали, что появление жизни на планетах Клемента должно быть космической неизбежностью, потому что геологические данные предполагали, что она возникла на Земле потрясающе быстро: более четырех миллиардов лет назад, практически сразу же, как только наша планета достаточно остыла от своего огненного образования. И если, как и в нашем мире, жизнь на других планетах возникла быстро и эволюционировала, становясь все более сложной с течением времени, возможно, интеллект и технология также могли бы быть общими во всей Вселенной.
В последние годы, однако, некоторые скептически настроенные астрономы пытались придать больше эмпирического веса таким заявлениям, используя сложную форму анализа, называемую байесовской статистикой. Они сосредоточились на двух великих неизвестных: вероятности возникновения жизни на похожих на Землю планетах из абиотических условий-процесса, называемого абиогенезом-и, следовательно, вероятности возникновения разума. Даже имея на руках такие оценки, астрономы расходятся во мнениях относительно того, что они означают для жизни в других частях космоса. Этот недостаток консенсуса объясняется тем, что даже лучший байесовский анализ может сделать так много только тогда, когда неопровержимые доказательства существования внеземной жизни и разума на земле скудны.
Уравнение Дрейка, введенное астрономом в 1961 году, вычисляет количество цивилизаций в нашей галактике, которые могут передавать—или принимать—межзвездные сообщения с помощью радиоволн. Он основан на умножении ряда факторов, каждый из которых количественно определяет некоторые аспекты наших знаний о нашей галактике, планетах, жизни и интеллекте. К этим факторам относятся: * P-доля звезд с внеземными планетами; * ne-число обитаемых планет во внеземной системе; * L-доля обитаемых планет, на которых возникает жизнь; и так далее.
“В то время, когда Дрейк записал [уравнение]—или даже 25 лет назад—почти любой из этих факторов мог быть тем, что делает жизнь очень редкой”, - говорит Эд Тернер, астрофизик из Принстонского университета. Теперь мы знаем, что миры вокруг звезд являются нормой, и что те, которые похожи на Землю в самых основных терминах размера, массы и инсоляции, также распространены. Короче говоря, похоже, что нет недостатка в галактической недвижимости, которую могла бы занять жизнь. Однако” одной из самых больших неопределенностей во всей цепи факторов является вероятность того, что жизнь когда—либо начнется-что вы совершите этот скачок от химии к жизни, даже при наличии подходящих условий", - говорит Тернер.
Игнорирование этой неопределенности может привести астрономов к довольно смелым заявлениям. Например, в прошлом месяце том Уэстби и Кристофер Конселайс, оба из Ноттингемского университета в Англии, попали в заголовки газет, когда подсчитали, что в нашей галактике должно быть по крайней мере 36 разумных цивилизаций, способных общаться с нами. Оценка была основана на предположении, что разумная жизнь появляется на других обитаемых планетах, подобных Земле, примерно через 4,5-5,5 миллиарда лет после их образования.
” Это просто очень конкретное и сильное предположение", - говорит астроном Дэвид Киппинг из Колумбийского университета. “Я не вижу никаких доказательств, что это безопасная ставка.”
Ответить на вопросы о вероятности абиогенеза и появления интеллекта сложно, потому что ученые располагают только одной информацией: жизнью на Земле. “У нас даже нет полной базы данных, - говорит Киппинг. “Мы не знаем, когда возникла жизнь, например, на Земле. Но даже это подвержено неопределенности.”
Еще одна проблема с предположениями, основанными на том, что мы наблюдаем локально,-это так называемая предвзятость отбора. Представьте себе, что вы покупаете лотерейные билеты и срываете джекпот с вашей 100-й попытки. Разумно, вы могли бы тогда назначить 1 процент вероятности выигрыша в лотерею. Этот неверный вывод, конечно, является предвзятостью отбора, которая возникает, если вы опрашиваете только победителей и ни одного неудачника (то есть десятки миллионов людей, которые купили билеты, но никогда не выигрывали в лотерею). Когда дело доходит до расчета шансов абиогенеза, “у нас нет доступа к неудачам”, - говорит Киппинг. “Вот почему мы находимся в очень сложном положении, когда речь заходит об этой проблеме.”
Введите байесовский анализ. Метод использует теорему Байеса, названную в честь Томаса Байеса, английского статистика и министра 18-го века. Чтобы вычислить вероятность того, что какое—то событие, например абиогенез, произойдет, астрономы сначала придумывают вероятностное распределение его-лучшее предположение, если хотите. Например, можно предположить, что абиогенез столь же вероятен через 100-200 миллионов лет после образования Земли, как и через 200-300 миллионов лет после этого времени или любого другого 100-миллионного отрезка истории нашей планеты. Такие предположения называются байесовскими приорами, и они делаются явными. Затем статистики собирают данные или доказательства. Наконец, они объединяют предшествующие и фактические данные для вычисления так называемой апостериорной вероятности. В случае абиогенеза эта вероятность была бы вероятностью возникновения жизни на планете, подобной Земле, учитывая наши предыдущие предположения и доказательства. Апостериор - это не единичное число, а скорее распределение вероятностей, которое количественно определяет любую неопределенность. Это может показать, например, что абиогенез становится более или менее вероятным со временем, а не имеет равномерного распределения вероятностей, предложенного ранее.
В 2012 году Тернер и его коллега Дэвид Шпигель, работавшие тогда в Институте перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, первыми строго применили байесовский анализ к абиогенезу. Согласно их подходу, жизнь на планете, похожей на землю, вокруг звезды, подобной Солнцу, появляется только через некоторое минимальное число лет, тмин, после образования этого мира. Если жизнь не возникает раньше некоторого максимального времени, tmax, то по мере того, как ее звезда стареет (и в конечном счете умирает), условия на планете становятся слишком враждебными, чтобы когда-либо произойти абиогенезу. Между tmin и tmax Тернер и Шпигель намеревались вычислить вероятность абиогенеза.
Исследователи работали с несколькими различными предыдущими распределениями для этой вероятности. Они также предполагали, что интеллекту требуется определенное фиксированное количество времени, чтобы появиться после абиогенеза.
Учитывая такие предположения, геофизические и палеонтологические данные о генезисе жизни на Земле и то, что эволюционная теория говорит о возникновении разумной жизни, Тернер и Шпигель смогли рассчитать различные задние распределения вероятностей для абиогенеза. Хотя доказательства того, что жизнь появилась на Земле рано, действительно могут предполагать, что абиогенез довольно прост, апостериоры не ставили никакой нижней границы вероятности. Расчет “не исключает очень низких вероятностей, что действительно является своего рода здравым смыслом со статистикой одного”, - говорит Тернер. Несмотря на быстрое возникновение жизни на Земле, абиогенез, тем не менее, может быть чрезвычайно редким процессом.
Усилия Тернера и Шпигеля были “первой действительно серьезной байесовской атакой на эту проблему", говорит Киппинг. "Я думаю, что привлекательно было то, что они сломали эту дефолтную, наивную интерпретацию раннего возникновения жизни.”
Тем не менее, Киппинг считал, что работа исследователей не лишена недостатков, и теперь он попытался исправить ее с помощью более сложного байесовского анализа. Например, Киппинг ставит под сомнение предположение, что интеллект возник в определенное время после абиогенеза. Этот априор, говорит он, может быть еще одним примером предвзятости отбора—понятием, на которое повлиял эволюционный путь, по которому возник наш собственный интеллект. “В духе кодирования всего вашего невежества, почему бы просто не признать, что Вы тоже не знаете этого числа?- Киппинг говорит. “Если ты пытаешься вычислить, сколько времени требуется жизни, чтобы появиться, то почему бы не сделать это одновременно с разумом?”
Именно это предположение предпринял Киппинг, оценивая как вероятность абиогенеза, так и возникновение интеллекта. В качестве Приора он выбрал нечто под названием "Приор Джеффри", разработанное другим английским статистиком и астрономом Гарольдом Джеффри. Говорят, что она максимально неинформативна. Поскольку Приор Джеффри не печется в массивных предположениях, он придает больше веса доказательствам. Тернер и Шпигель также пытались найти неинформативного Приора. ” Если вы хотите знать, что говорят вам данные, а не то, что вы думали об этом раньше, то вам нужен неинформативный Приор", - говорит Тернер. В своем анализе 2012 года исследователи использовали три Приора, один из которых был наименее информативным, но они не использовали Джеффриса Приора, несмотря на то, что знали об этом.
В расчетах Киппинга этот Приор сосредоточил внимание на том, что он называет “четырьмя углами” пространства параметров: жизнь-это общее, и интеллект-это общее; жизнь-это общее, и интеллект-это редкое; жизнь-это редкое, и интеллект-это общее; и жизнь-это редкое, и интеллект-это редкое. Все четыре угла были одинаково вероятны до начала байесовского анализа.
Тернер соглашается, что использование jeffreys prior-это значительный прогресс. “Это лучший способ, который у нас есть, на самом деле, просто спросить, что данные пытаются Вам сказать”, - говорит он.
Объединив данные Джеффри Прайора с редкими свидетельствами возникновения и развития разумной жизни на Земле, Киппинг получил апостериорное распределение вероятностей, которое позволило ему вычислить новые коэффициенты для четырех углов. Он обнаружил, например, что сценарий “жизнь обычна, а интеллект редок” в девять раз более вероятен, чем сценарий "жизнь и интеллект редки". И даже если интеллект не является редкостью, сценарий "жизнь-это общее" имеет минимальное отношение шансов 9 к 1. Эти шансы не те, на которые можно поставить дом, говорит Киппинг. - Ты легко можешь проиграть Пари.”
Тем не менее, этот расчет является “положительным признаком того, что жизнь должна быть там”, говорит он. “Это, по крайней мере, намек на то, что жизнь-не такой уж трудный процесс.”
Не все байесовские статистики согласились бы с этим. Тернер, например, интерпретирует результаты по-разному. Да, анализ Киппинга предполагает, что очевидное раннее появление жизни на Земле благоприятствует модели, в которой абиогенез является общим, с определенным соотношением шансов 9:1. Но этот расчет не означает, что модель в девять раз более вероятна, чем та, которая говорит, что абиогенез редок, говорит Тернер, добавляя, что интерпретация Киппинга “немного чрезмерно оптимистична.”
Согласно Тернеру, который аплодирует работе Киппинга, даже самый сложный байесовский анализ все еще оставляет место для редкости как жизни, так и разума во Вселенной. "То, что мы знаем о жизни на Земле, не исключает этих возможностей”, - говорит он.
И не только байесовские статистики могут иметь разногласия с интерпретацией Киппинга. Любой, кто интересуется вопросами о происхождении жизни, будет скептически относиться к заявленным ответам, учитывая, что любой такой анализ связан с геологическими, геофизическими, палеонтологическими, археологическими и биологическими доказательствами существования жизни на Земле—ни одно из которых не является однозначным относительно временных линий для абиогенеза и появления интеллекта.
” Мы все еще пытаемся определить, что мы подразумеваем под живой системой", - говорит Калеб Шарф, астроном и астробиолог из Колумбийского университета. - Это скользкий зверь, с точки зрения научного определения. Это проблематично для утверждения [о] том, когда происходит абиогенез—или даже утверждения об эволюции интеллекта.”
Если бы у нас были строгие определения, проблемы сохраняются. “Мы не знаем, началась ли жизнь, остановилась ли, возобновилась ли. Мы также не знаем, может ли жизнь быть построена только так или иначе”, - говорит шарф. Когда Земля стала гостеприимной для жизни? И когда это произошло, были ли первые молекулы этой” жизни " аминокислотами, РНК или липидными мембранами? И после того, как жизнь впервые возникла, была ли она уничтожена каким-то катаклизмом в начале истории Земли, только чтобы возобновиться потенциально другим способом? “Здесь очень много неопределенности, - говорит шарф.
Все эти отрывочные свидетельства затрудняют даже байесовский анализ. Но как метод, он остается наиболее подходящим для обработки большего количества доказательств-скажем, обнаружения признаков жизни, существующей на Марсе в прошлом или в пределах одной из покрытых льдом океанских лун Юпитера в настоящее время.
"В тот момент, когда у нас есть еще одна точка данных для игры, предполагая, что это произойдет, [байесовские модели] являются способами наилучшего использования этих дополнительных данных. Внезапно неопределенность резко уменьшается", - говорит шарф. “Нам вовсе не обязательно исследовать каждую звезду в нашей галактике, чтобы выяснить, насколько вероятно, что в каком-то конкретном месте может зародиться жизнь. Еще одна или две точки данных, и внезапно мы узнаем о Вселенной, по существу, с точки зрения ее склонности к созданию жизни или, возможно, разума. И это довольно мощно.”