Антропные тени и риски физических экспериментов
Примерами par excellence событий Q=0 являются фазовый переход вакуума или распад квантового поля. Подобные события приведут не только к исчезновению человечества, но также полностью и навсегда уничтожат земную биосферу. Колман и Де Лусиа (Coleman and De Luccia) впервые упомянули возможность того, что ускорители элементарных частиц, используемых в физических экспериментах, могут привести к такой катастрофе. [40]. Эта возможность была широко рассмотрена [10, 41-46] и инициировала протест против использования ускорителей частиц, включая недавний Большой Адронный Коллайдер [46, 47].
Важны три конкретные угрозы: (1) запуск фазового перехода вакуума через создание расширяющегося пузыря «нового» вакуумного состояния, (2) случайное создание страпельки, способной трансформировать всю земную массу в странную материю и (3) случайное создание мини-чёрной дыры, которая, просочившись в центр Земли, постепенно уничтожит нашу планету. Несмотря на научную фантастику, истрепавшую эти идеи, они были серьёзно восприняты даже высшей администрацией современных лабораторий ускорителей частиц [48]. Это является не только эсхатологической проблемой человечества: фазовый переход вакуума также уничтожит условия для существования всех возможных наблюдателей в будущем нашего светового конуса. Даже если шанс этого события невелик, его катастрофическое влияние будет настолько велико, что оно достойно близкого рассмотрения.
Хат и Рис (Hut and Rees) провели важное новаторское исследование проблемы угроз физики высоких энергий, предложив, что нет рациональных причин к беспокойству насчёт ускорителей частиц: столкновения высокоэнергетических частиц встречаются в естественной среде, например, столкновения космических лучей и атмосферы Земли или твёрдой массы Луны, более того, энергия этих столкновений на порядки превышает те, что можно получить в лабораторных условиях в ближайшем будущем [10]. Принимая правдоподобные предположения об оценке поперечного сечения важных реакций, Хат и Рис заключили, что факт выживания Земли (и Луны) после бомбардировки космическими лучами в течении 4.5 млрд. лет подразумевает, что в предвидимом будущем мы находимся в безопасности. Например, если вероятность катастрофы из-за экспериментов физики высоких энергий равна 10-50, то удвоение или даже удесятирение риска, из-за активизации человеческих действий, весьма ничтожно.
Аргументация Хата-Риса не должна нас успокаивать, ибо в ней нескорректировано антропное искажение. Фазовый переход вакуума является событием, при котором Q=0. Таким образом, оценки, основанные на существовании Земли или Луны, полностью недостоверны. Более того, недостоверность этих предсказаний основана на естественных и вызванных человеком фазовых переходах вакуума (Хат и Рис также справедливо заключают, что количество потенциально опасных событий в любых доступных человечеству ускорителях, гораздо меньше, чем в естественных космических лучах). К сожалению, схожая ошибка повторяется в исследовании безопасности Большого Адронного Коллайдера, при котором, в качестве аргументации безопасности ускорителя, было использовано существование Солнечной системы [46].
Тегмарк и Бостром (Tegmark and Bostrom) смогли перехитрить эффект наблюдательной селекции использованием данных о распределении планетарного возраста и относительно недавней датой образования Земли [12], для того, чтобы вывести априорное распределение вероятности событий, которые могут уничтожить или полностью стерилизовать планету [49]. На основании их результатов, вероятность фазового перехода вакуума для всего Млечного Пути меньше 10-9 в год. Это показывает, что осведомлённость об эффектах антропной тени может привести к более достоверной оценке рисков катастроф.
Заключение
Ли Смолин, в числе других, заявил, что антропному принципу не хватает предсказательной силы и прикладной важности [50]. Но наши результаты позволяют предположить, что коррекция искажения от антропной тени может значительно изменить оценку вероятности катастроф, например, извержения супервулкана или столкновения с астероидом. Более того, определение этой искажениеи может нам помочь избегать ловушек и ошибок анализа угроз, подобных аргументам Хата-Риса или Группы оценки безопасности Большого Адронного Коллайдера (Large Hadron Collider Safety Assessment Group) при оценке риска столкновений частиц. По этой причине, главный урок лежит в направлении большей осмотрительности, которую мы должны принять при работе со спектром глобальных катастроф и УС. Количество исследований искажениеи в УС прискорбно, особенно учитывая рассматриваемые здесь естественные и возможные антропогенные угрозы, возникающие при появлении мощных технологий. Вряд ли нужно подчёркивать, что улучшение методов численной оценки рисков наверняка приведут к улучшению практик снижения и управления угрозами [6].
Необходимы дальнейшие исследования форм антропных теней и величин влияния антропного искажения, особенно по отношению к изменению вероятности выживания со временем, к смешению различных механизмов УС и к вековой эволюции функций априорных распределений. За исключением событий с Q=0, наподобие фазовых переходов вакуума, необходимы более сложные и реалистичные модели коррекции антропного искажения. Различные по величине катастрофы могут повлиять на эволюционную цепочку и во многих случаях могут привести к нашему исчезновению в качестве наблюдателей. Вычерчивание графиков подобных влияний является сложной задачей, особенно учитывая, что эволюционное воздействие даже единичных событий, например падения астероида в Чиксулуб, привело к вездесущим и непредвиденным биологическим обстоятельствам [5-54]. Для различных этапов эволюционного развития, отделённых друг от друга случайными катастрофами, может быть необходимо использование весьма сложного формализма моделирования, например, вероятностных клеточных автоматов, чтобы учесть все факторы, которые могут приводить к антропному искажению. [55].
Приложение: словарь
УС – угрозы существованию, подмножество глобальных катастроф, вред от которых может либо уничтожить разумную жизнь на Земле, либо полностью и радикально сократить её потенциал [7].
ГВ – гамма-всплески, вспышки гамма-лучей, длящиеся несколько секунд и ассоциирующиеся с высоко-энергетическим космическим излучением. Все замеченные гамма-всплески пришли извне Млечного Пути, но тем не менее, связанный класс феноменов, мягкие повторяющиеся гамма-всплески, относятся к магнетарам из нашей галактики. Было предположено, что гамма-всплески внутри Млечного Пути могут вызвать на Земле массовое вымирание [30].
БАК – Большой Адронный Коллайдер, крупнейший ускоритель частиц, расположенный в 27 км туннеле на 175 метров ниже уровня земли на границы между Францией и Швейцарией, неподалёку от Женевы, Швейцария. БАК был построен по заказу Европейского совета ядерных исследований и начал свою работу в конце 2009 года.
Myr – миллион (106) лет, главнейшая единица измерения геологической и эволюционной преистории.
ОЗО – околоземной объект, объект Солнечной системы, обычно астероид или комета, орбита которого проводит его недалеко от Земли, таким образом создавая возможную угрозу. (Очень маленькие объекты, размером до 50 метров, обычно называются метеорными телами и могут быть объектами антропогенного происхождения, наподобие космического аппарата, расположенного на солнечной орбите).
пс – парсек (от «параллакса угловой секунды»), главная единица измерения, используемая в астрономии и связанных областях. 1 пс = 3.085668 × 1016 метров = 3.262 световых года. Близлежащая к Солнечной системе звезда находится на расстоянии ~1 пс.
СН – сверхновая звезда, взрыв либо крупной звезды (более девяти Солнечных масс), либо белого карлика в бинарной системе.
Фанерозой (эон) – продолжающийся в наше время эон, характеризуется обилием растительной и животной жизни. Считается, что кембрийский период является началом этого эона (порядка 545 Myr назад).
Благодарности
Мы благодарим трёх анонимных рецензентов журнала Risk Analysis за вдумчивые комментарии и уместную критику предыдущей версии статьи. Выражаем особую благодарность Gaverick Jason Matheny и Rebecca Roache за их внимательное прочтение это статьи, приведшее к значительному улучшению. За беседы над тематикой статьи мы также признательны Jelena Andrejić, Fred C. Adams, Bill Napier, and Zoran Knežević. We thank Richard B. Cathcart, Aleksandar Zorkić, Maja Bulatović, Dušan Inđić, Srdjan Samurović, Branislav K. Nikolić, Samir Salim, Nikola Milutinović, а также консорциуму библиотек KoBSON за их внимательную техническую помощь. Один из авторов (M.M.Ć) получил частичную поддержку от Ministry of Science and Technological Development of the Republic of Serbia, грант ON146012, и благодарит Future of Humanity Institute at Oxford University за их гостеприимство при работе над проектом.
Ссылки
1. Leslie J. The End of the World: The Ethics and Science of Human Extinction. London: Routledge, 1996.
2. Huggett R. Catastrophism. London: Verso, 1997.
3. McGuire B. A Guide to the End of the World: Everything You Never Wanted to Know. Oxford: Oxford University Press, 2002.
4. Rees MJ. Our Final Hour. New York: Basic Books, 2003.
5. Palmer T. Perilous Planet Earth: Catastrophes and Catastrophism Through the Ages. Cambridge: Cambridge University Press, 2003.
6. Bostrom N, C´ irkovic´ MM (eds). Global Catastrophic Risks. Oxford: Oxford University Press, 2008.
7. Bostrom N. Existential risks. Journal of Evolution and Technology, 9, 2002 (http://www.jetpress.org/volume9/risks.html).
8. Bostrom N. Unpublished data, 2010.
9. Rampino MR, Self S. Volcanic winter and accelerated glaciation following the Toba super-eruption. Nature, 1992; 359:50–52.
10. Hut P, Rees MJ. How stable is our vacuum? Nature, 1983; 302:508–509.
11. Laughlin G, Adams FC. The frozen earth: Binary scattering events and the fate of the solar system. Icarus, 2000; 145: 614–627.
12. Lineweaver CH. An estimate of the age distribution of terrestrial planets in the universe: Quantifying metallicity as a selection effect. Icarus, 2001; 151: 307–313.
13. Woo G. The Mathematics of Natural Catastrophes. London: Imperial College Press, 1999.
14. Earth Impact Database, 2010. Available at: http://www.unb.ca/passc/ImpactDatabase/.
15. Kring DA, Cohen BA. Cataclysmic bombardment throughout the inner solar system 3.9–4.0 Ga. Journal of Geophysical Research—Planets, 2002; 107: 4–10.
16. Gomes R, Levison HF, Tsiganis K, Morbidelli A. Origin of the cataclysmic late heavy bombardment period of the terrestrial planets. Nature, 2005; 435, 466–469.
17. Nurmi P, ValtonenMJ, Zheng JQ. Periodic variation of Oort Cloud flux and cometary impacts on the Earth and Jupiter. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2001; 327: 1367–1376.
18. Napier WM, Wickramasinghe JT, Wickramasinghe NC. Extreme albedo comets and the impact hazard. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2004; 355:191–195.
19. Napier WM. Evidence for cometary bombardment episodes. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2006; 366: 977–982.
20. Fern´andez JA, Morbidelli A. The population of faint Jupiter family comets near the Earth. Icarus, 2006; 185: 211–222.
21. Baillie M. The case for significant numbers of extraterrestrial impacts through the late Holocene. Journal of Quaternary Science, 2007; 22:101–109.
22. Schindewolf O. Neokatastrophismus? Deutsch Geologische Gesellschaft Zeitschrift Jahrgang, 1962; 114: 430–445.
23. Ruderman MA. Possible consequences of nearby supernova explosions for atmospheric ozone and terrestrial life. Science, 1974; 184: 1079–1081.
24. Hunt GE. Possible climatic and biological impact of nearby supernovae. Nature, 1978; 271: 430–431.
25. Brakenridge GR. Terrestrial paleoenvironmental effects of a late quaternary-age supernova. Icarus, 1981; 46: 81–93.
26. Thorsett SE. Terrestrial implications of cosmological gamma-ray burst models. Astrophysical Journal, 1995; 444: L53–L55.
27. Annis J. An astrophysical explanation for the great silence. Journal of the British Interplanetary Society, 1999; 52:19–22 (preprint astro-ph/9901322).
28. Dar A, De R´ ujula A. The threat to life from Eta Carinae and gamma-ray bursts. Pp. 513–523 in Morselli A, Picozza P (eds). Astrophysics andGamma Ray Physics in Space. Rome: Frascati Physics Series Vol. XXIV, 2002.
29. Scalo J,Wheeler JC. Astrophysical and astrobiological implications of gamma-ray burst properties. Astrophysical Journal, 2002; 566: 723–737.
30. Melott AL, Lieberman BS, Laird CM, Martin LD, Medvedev MV, Thomas BC et al.Did a gamma-ray burst initiate the late Ordovician mass extinction? International Journal of Astrobiology, 2004; 3: 55–61.
31. Vukotic´ B, C´ irkovic´ MM. Neocatastrophism and the Milky Way astrobiological landscape. Serbian Astronomical Journal, 2008; 176: 71–79.
32. C´ irkovic´ MM, Vukotic´ B. Astrobiological phase transition: Towards resolution of Fermi’s paradox. Origin of Life and Evolution of the Biosphere, 2008; 38: 535–547.
33. Dreschhoff GAM, Laird CM. Evidence for a stratigraphic record of supernovae in polar ice. Advances in Space Research, 2006; 38: 1307–1311.
34. Stothers R. Giant solar flares in Antarctic ice. Nature, 1980; 287: 365.
35. White RV. Earth’s biggest “whodunnit”: Unravelling the clues in the case of the end-Permian mass extinction. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 2002; 360: 2963–2985.
36. Benton MJ. When Life Nearly Died: The Greatest Mass Extinction of All Time. London: Thames and Hudson, 2003.
37. Ambrose SH. Late Pleistocene human population bottlenecks, volcanic winter, and differentiation of modern humans. Journal of Human Evolution, 1998; 34: 623–651.
38. Roscoe HK. The risk of large volcanic eruptions and the impact of this risk on future ozone depletion. Natural Hazards, 2001; 23: 231–246.
39. Rampino MR. Supereruptions as a threat to civilizations on Earth-like planets. Icarus, 2002; 156: 562–569.
40. Coleman S, De Luccia F. Gravitational effects on and of vacuum decay. Physical Review D, 1980; 21: 3305–3315.
41. Turner MS, Wilczek F. Is our vacuum metastable? Nature, 1982; 298: 633–634.
42. Sher M, Zaglauer HW. Cosmic-ray induced vacuum decay in the standard model. Physics Letters B, 1988; 206: 527–532.
43. Crone MM, Sher M. The environmental impact of vacuum decay. American Journal of Physics, 1991; 59: 25–32.
44. Dar A, De R´ ujula A, Heinz U. Will relativistic heavy-ion colliders destroy our planet? Physics Letters B, 1999; 470: 142–148.
45. Kent A. A critical look at risk assessments for global catastrophes. Risk Analysis, 2004; 24:157–168.
46. Ellis J., Giudice G, Mangano M, Tkachev I, Wiedemann U. Review of the Safety of LHC Collisions, 2008. Available at: http://lsag.web.cern.ch/lsag/LSAG-Report.pdf (LHC Safety Assessment Group).
47. Ord T, Hillerbrand R, Sandberg A. Probing the improbable: Methodological challenges for risks with low probabilities and high stakes. Journal of Risk Research, 2010; 13:191– 205.
48. Jaffe L, Busza W, Wilczek F, Sandweiss J. Review of speculative “disaster scenarios” at RHIC. Reviews of Modern Physics, 2000; 72: 1125–1140.
49. Tegmark M, Bostrom N. Is a doomsday catastrophe likely? Nature, 2005; 438: 754.
50. Smolin L. Scientific alternatives to the anthropic principle. Pp. 323–366 in Carr B (ed). Universe or Multiverse. Cambridge: Cambridge University Press, 2005.
51. Gould SJ. The paradox of the first tier: An agenda for paleobiology. Paleobiology, 1985; 11: 2–12.
52. Gould SJ. Wonderful Life. New York: W. W. Norton, 1989.
53. Gould SJ. Full House: The Spread of Excellence from Plato to Darwin. New York: Three Rivers Press, 1996.
54. McShea DW. Possible largest-scale trends in organismal evolution: Eight “live hypotheses.” Annual Review of Ecology and Systematics, 1998; 29: 293–318.
55. Kaneko K, Akutsu Y. Phase transitions in two-dimensional stochastic cellular automata. Journal of Physics A, 1986; 19: L69–L75.
56. Barrow JD, Tipler FJ. The Anthropic Cosmological Principle. New York: Oxford University Press, 1986.
57. Balashov YV. Resource letter: AP-1: The anthropic principle. American Journal of Physics, 1991; 59: 1069–1076.
58. Bostrom N. Anthropic Bias: Observation Selection Effects in Science and Philosophy. New York: Routledge, 2002.
59. C´ irkovic´ MM. Evolutionary catastrophes and the Goldilocks problem. International Journal ofAstrobiology, 2007; 6: 325–329.
60. McKay CP. Time for intelligence on other planets. Pp. 405–419 in Doyle LR (ed). Circumstellar Habitable Zones, Proceedings of the First International Conference. Menlo Park, CA: Travis House Publications, 1996.
61. Russell DA. Speculations on the evolution of intelligence in multicellular organisms. Pp. 259–275 in Billingham J (ed). Life in the Universe. Cambridge: MIT Press, 1981.
62. Sahney S, Benton MJ. Recovery from the most profound mass extinction of all time. Procedings of the Royal Society B, 2008; 275: 759–765.
63. Bowring SA, Erwin DH, Isozaki Y. The tempo of mass extinction and recovery: The end-Permian example. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 1999; 96: 8827–8828.
64. Binzel RP, Rivkin AS, Stuart JS, Harris AW, Bus SJ, Burbine TH. Observed spectral properties of near-Earth objects: Results for population distribution, source regions, and space weathering processes. Icarus, 2004; 170: 259–294.
65. Stuart JS, Binzel RP. Bias-corrected population, size distribution, and impact hazard for the near-Earth objects. Icarus, 2004; 170: 295–311.
66. Szab ´o GyM, Cs´ak B, S´arneczky K, Kiss LL. Photometric observations of 9 near-Earth objects. Astronomy and Astrophysics, 2001; 375: 285–292.
67. Emel’Yanenko VV, Bailey ME. Capture of Halley-type comets from the near-parabolic flux. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 1998; 298: 212–222.
68. Schultz PH, Z´arate M, Hames B, Koeberl C, Bunch T, Storzer D et al. The quaternary impact record from the Pampas, Argentina. Earth and Planetary Science Letters, 2004; 219: 221–238.
Алексей Турчин. Природные катастрофы и антропный принцип
Предыдущая версия этой статьи опубликована в «Проблемы управления рисками и безопасностью»», Труды Института системного анализа РАН, т. 31., 2007, стр. 306-332.
Адрес документа: http://www.scribd.com/doc/8553049/-
Краткое содержание
Основная идея этой статьи состоит не только в том, что наблюдательная селекция приводит к недооценке частоты природных катастроф в будущем, но в том, что наш мир может быть гораздо более хрупок, чем это кажется, по отношению к антропогенным воздействиям (подобно сверхнадутому воздушному шарику), что особенно важно в отношении таких процессов, как глобальное потепление или глубокое бурение земной коры.
Антропный принцип утверждает, что наша Вселенная устроена так, чтобы в ней могли существовать наблюдатели. Это, в частности, означает, что на земле ранее не происходило природных катастроф, которые привели бы к уничтожению на ней разумной жизни. Однако из это вовсе не следует что такого рода катастрофы не могут произойти в будущем. Поэтому данные о частоте глобальных природных катастроф в прошлом не могут быть использованы в качестве надежной основы для экстраполяции при построении прогнозов на будущее, кроме ряда случаев, когда у нас есть дополнительная информация о том, что разумная жизнь могла возникнуть и раньше, как это делают Бостром и Тегмарк [Bostrom, Tegmark, 2005]. Это, в свою очередь, означает, что вероятность природных глобальных катастроф в будущем значительно выше, чем в прошлом. Для наблюдателя это может выглядеть как одновременное, быстрое и необъяснимое ухудшение всех жизненно важных параметров и, возможно, этот процесс уже начался. Более того, поскольку возникновение разумной жизни есть, видимо, событие крайне редкое во вселенском масштабе, то оно требует стечения целого ряда маловероятных в своей последовательности обстоятельств, что, в частности, может означать, что некоторые критические параметры, являющиеся условием возникновения жизни, могут находиться около границ своей области устойчивости, и малые антропогенные воздействия могут привести к запуску катастрофических процессов уже в этом столетии.
Кроме того, разум как универсальное средство адаптации быстрее развивается в периоды высокого катастрофизма.
Введение
Данная работа была вдохновлена следующим параграфом из статьи Бострома и Тегмарка: «Можно подумать, что раз жизнь здесь, на Земле, выжила в течение примерно 4 Гигалет, такие катастрофические события должны быть исключительно редкими. К сожалению, этот аргумент несовершенен, и создаваемое им чувство безопасности – фальшиво. Он не принимает во внимание эффект наблюдательной селекции (observation selection effect), который не позволяет любому наблюдателю наблюдать что-нибудь ещё, кроме того, что его вид дожил до момента, когда он сделал наблюдение. Даже если бы частота космических катастроф была бы очень велика, мы по-прежнему должны ожидать обнаружить себя на планете, которая ещё не уничтожена. Тот факт, что мы всё ещё живы, не может даже исключить гипотезу, что в среднем космическое пространство вокруг стерилизуется распадом вакуума, скажем, каждые 10 000 лет, и что наша собственная планета просто была чрезвычайно удачливой до сих пор. Если бы эта гипотеза была верна, перспективы будущего были бы унылы». [Bostrom, Tegmark, 2005]