CETI trong câu hỏi và nhiệm vụ

24

Ngày nay họ nói và viết rất nhiều về vấn đề giao tiếp với các nền văn minh bên ngoài. Các chuyên gia gọi ngắn gọn nó là CETI, theo tên những chữ cái đầu tiên của từ tiếng Anh Giao tiếp với Trí tuệ ngoài Trái đất, được dịch sang tiếng Nga có nghĩa là “kết nối với trí thông minh bên ngoài”. Chúng kêu rít không chỉ trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng mà còn ở Serbez, một làn sóng các tác phẩm khoa học của Serbez. Các hội thảo, cuộc họp và hội nghị khoa học đã hơn một lần được dành cho chủ đề này. Gần đây tại Armenia, tại Trường Vật lý Thiên văn Bioprakan, Hội nghị Quốc tế đầu tiên về vấn đề này đã được tổ chức. Nhiều nhà khoa học xuất sắc của Liên Xô và nước ngoài đã tham gia vào công việc của mình - các chuyên gia trong lĩnh vực vật lý thiên văn, vật lý, hóa sinh, sinh học, lịch sử, triết học, xã hội học, điều khiển học, lý thuyết thông tin và truyền thông. Trong vài ngày, họ đã thảo luận về khả năng phát hiện các nền văn minh bên ngoài, vấn đề thiết lập mối liên hệ với trí thông minh bên ngoài*). Thật vậy, liệu có thể thiết lập liên lạc với những người thông minh từ thế giới khác, cách xa chúng ta bởi những khoảng cách khổng lồ, những điều dễ viết ra bằng cách sử dụng các con số hơn là tưởng tượng sức mạnh của trí tưởng tượng?

Làm thế nào để làm điều này?

Chúng ta hãy trang bị cho mình một cây bút chì và tờ giấy và cùng nhau suy nghĩ về vấn đề này.

*) Bạn có thể đọc về những cuộc thảo luận này trên tạp chí “Trái đất và Vũ trụ” số 2 và số 3 năm 1972.

Tất nhiên, điều thú vị nhất là được đến thăm họ, xem họ sống như thế nào, họ làm gì, chia sẻ kinh nghiệm của họ… Vì vậy, hãy bắt tay vào tên lửa. Để thoát khỏi phạm vi chấp nhận của trần thế, bạn cần đạt tốc độ 11,2 km/s. Đây được gọi là tốc độ vũ trụ thứ hai (câu hỏi trong ngoặc: tại sao lại là tốc độ vũ trụ thứ hai và tốc độ vũ trụ thứ nhất là gì?) Và để rời khỏi Hệ Mặt trời, cần phải phát triển tốc độ vượt quá tốc độ vũ trụ thứ ba (nó bằng bao nhiêu?).

Hãy để tên lửa của chúng ta lao tới với tốc độ khoảng một phần ba tốc độ vũ trụ. Chúng ta sẽ mất bao lâu để bay tới ngôi sao gần Mặt trời nhất? (Nó gọi là gì, cách chúng ta bao xa?). Và đến trung tâm của Thiên hà? Đến Tinh vân Androemda?

Nếu bạn không mắc sai lầm trong tính toán, kết quả có thể gây ra sự chán nản. Sẽ không cần đến mạng sống của con người để đến được ngôi sao gần nhất. Phải làm gì? Vâng, tất nhiên, nó sẽ tăng tốc độ. Đối với bạn và tôi, điều này dường như không có bất kỳ khó khăn nào: suy cho cùng, chúng tôi đang tiến hành một thử nghiệm tư duy, vì vậy chúng tôi có thể sử dụng bất kỳ phương tiện nào, ngay cả những phương tiện chưa đạt đến ngày kỹ thuật. Chúng ta chỉ bị cấm một điều: vi phạm các định luật vật lý. Vì vậy, tốc độ sẽ tăng lên.

Tốc độ tối đa có thể là bao nhiêu?

Tất nhiên là bạn biết điều này; nó bằng tốc độ ánh sáng trong chân không—300.000 km/s. Với tốc độ này, để đến được ngôi sao gần nhất, sẽ phải mất

25

hơn bốn năm một chút. Tất nhiên, không một vật thể nào có thể bay chính xác với tốc độ ánh sáng. Tốc độ này chỉ có đối với các hạt không có khối lượng nghỉ. Nhưng gói hàng có thể đạt tốc độ tùy ý gần bằng tốc độ ánh sáng, vì vậy việc đi đến một ngôi sao gần đó thực sự sẽ mất khoảng bốn năm.

Sẽ mất bao lâu để bay đến trung tâm Thiên hà của chúng ta? Đến tinh vân Andromeda?

Vâng, nó khá đơn giản. Khoảng cách đến trung tâm Thiên hà là khoảng 34.000 năm ánh sáng, do đó, nếu bay với tốc độ ánh sáng thì sẽ mất 34 nghìn năm. Thực sự đơn giản, nhưng đáng thất vọng: lại quá dài. Tình hình của mỗi người là vô vọng - xét cho cùng, chúng tôi đang bay với tốc độ tối đa có thể. Lối thoát ở đâu? Tuy nhiên, hãy dừng lại! Có một sự thiếu chính xác trong lý luận của chúng tôi. Chúng tôi chưa dạy về tốc độ thời gian trên Trái đất và trong gói của chúng tôi. Đối với một người quan sát vẫn ở lại Trái đất và theo dõi chuyến bay của chúng ta bằng chiếc đồng hồ của mình, thời gian thực tế sẽ trôi qua 34.000 năm. Nhưng trên một con tàu đang chuyển động, theo lý thuyết thời gian tương đối, thời gian lại trôi theo cách khác. Tốc độ càng gần tốc độ ánh sáng thì thời gian chảy trên nó càng chậm. Điều này có nghĩa là nếu chúng ta đến đủ gần tốc độ ánh sáng, chúng ta sẽ có thể bay đi bất cứ đâu và gần như không bao giờ gặp nhau.

Cho tàu chuyển động với vận tốc không đổi $v$. Bạn đã được cấp bài toán: bay tới tinh vân Andromeda sau 10 năm. Tốc độ của tàu phải là bao nhiêu? Tỷ lệ của nó với tốc độ ánh sáng là bao nhiêu?

Khoảng cách tới tinh vân Tiên Nữ là khoảng hai triệu năm ánh sáng. Để bay quãng đường này trong 10 năm, sự giảm thời gian tương đối tính, tức là tỷ lệ giữa thời gian riêng $t$ của tàu vũ trụ với thời gian $t$, được thay đổi bởi đồng hồ của người quan sát trên trái đất, phải bằng

$$\frac{\tau}{t} = \frac{10}{2000000} \frac{v}{c}.$$

Nhưng với tốc độ không đổi của con tàu, giá trị này

$$\frac{\tau}{t} = \sqrt{1 - \left(\frac{v}{c}\right)^2}.$$

Từ đây

$$\frac{v}{c} \approx 1 - 1.25 \cdot 10^{-11} = 0.999999999875c,$$

Vì vậy, nếu con tàu di chuyển với tốc độ 0,999 999 999 987 5 $c$ thì nó có thể bay đến tinh vân Andromeda trong 10 năm.

Nhưng để đạt được tốc độ như vậy, trước tiên con tàu phải được tăng tốc bằng một loại chuyển động nào đó. Do đó, cũng cần phải tính đến thời gian cần thiết để đẩy tàu. Hiệu suất của các gói càng cao thì tốc độ dòng chảy của chất lỏng làm việc (“nhiên liệu”) càng gần với tốc độ cuối cùng của các gói. Do đó, phương tiện hiệu quả nhất để đạt được tốc độ gần ánh sáng là sử dụng các gói photon, hoạt động thông qua phản ứng tạo góc của vật chất và phản vật chất. Sản phẩm cuối cùng của phản ứng này là bức xạ γ. Vì vậy, tốc độ dòng chảy của chất lỏng làm việc bằng tốc độ ánh sáng.

Để tàu photon chuyển động với tốc độ thấp $a = g = 10 \text{ m/c}^2$ (điều này rất thuận tiện cho chúng ta: không quá tải, không trọng lượng). Thời gian tăng tốc thích hợp của tàu từ tốc độ 0 đến tốc độ $v$ mà chúng ta vừa xác định là bao nhiêu? Giá trị bằng nhau trong hệ thống của một người quan sát đứng yên là gì?

Từ lý thuyết gói photon*) người ta biết rằng nếu nó di chuyển với

*) Ví dụ, hãy xem S. Horner, “Chuyến bay vào vũ trụ có khả thi không?” Bộ sưu tập “Giao tiếp giữa các vì sao”, M., Mir, 1965, trang 158-176.

26

gia tốc không đổi $a$ và nếu số khối, tức là tỷ số giữa khối lượng ban đầu của tên lửa và khối lượng cuối cùng (sau khi đốt hết nhiên liệu), bằng $\mu$, thì thời gian tăng tốc hoặc thời gian bay trên phần hoạt động của quỹ đạo, trong hệ thống báo cáo liên quan đến tên lửa, bằng nhau

$$\tau = \frac{c}{a} \ln \mu.$$

(1)

Đồng thời, trong hệ thống đứng yên, người ta quan sát thấy

$$t = \frac{c}{2a} (\mu - \mu^{-1}).$$

(2)

Trong trường hợp này, tên lửa đang bay tăng tốc sẽ di chuyển theo đường đi

$$x = \frac{c^2}{2a} (\mu + \mu^{-1} - 2)$$

(3)

và đạt tới điểm cuối của con đường tốc độ này

$$v = c \frac{1 - \mu^{-2}}{1 + \mu^{-2}}.$$

(4)

Trước tiên chúng ta hãy định nghĩa $\mu$. Từ công thức cuối cùng chúng ta nhận được

$$\mu^2 = \frac{c + v}{c - v} \approx \frac{2}{1 - \frac{v}{c}}.$$

Thay thế ở đây giá trị tốc độ $v$ được tìm thấy ở trên, chúng ta tìm thấy $\mu = 4 \cdot 10^5$. Bây giờ chúng ta có thể xác định các giá trị $\tau$, $t$, $x$. Chúng bằng nhau: $\tau = 3,9 \cdot 10^7 c \approx 12$ năm, $t = 6 \cdot 10^{12} c \approx 2 \cdot 10^5$ năm, $x = 1,8 \cdot 10^{23} cm \approx 2 \cdot 10^5$ năm ánh sáng.

Vì vậy, trong ví dụ của chúng tôi, con tàu photon, ngạc nhiên với gia tốc không đổi $a = 10 m/c^2$, đạt tốc độ 0,999 999 999 987 5 $c$ trong 12 năm và đồng thời có thể di chuyển khoảng mười lần quãng đường tới tinh vân Tiên Nữ. Di chuyển xa hơn theo quán tính với tốc độ không đổi $v$, trong khoảng 1,6 triệu năm nữa, theo đồng hồ Trái đất, nó sẽ ở cách mục tiêu 200.000 năm ánh sáng. Vì thời gian giảm tương đối tính ở một tốc độ nhất định là $5 \cdot 10^{-6}$, nên thời gian của chính con tàu đã trôi qua kể từ thời điểm động cơ tắt

27

Pris. 2. Sơ đồ chuyến bay với sự trở lại Trái đất của các phi hành gia.

Cho đến nay chúng tôi chỉ quan tâm đến thời gian bay. Bây giờ chúng ta hãy suy nghĩ về sức mạnh cần thiết. Cho tàu di chuyển theo cách tối ưu mô tả ở trên với gia tốc không đổi đến nửa điểm và sau đó giảm tốc cho đoạn còn lại. Trên đường về, mọi thứ được lặp lại theo cùng một thứ tự (Hình 2). Đặt gia tốc của con tàu là $g$, khối lượng cuối cùng là 10 tấn, chuyến bay xa hơn là 1.000 năm ánh sáng (rất gần so với tinh vân Tiên Nữ!). Khối lượng ban đầu của tàu là bao nhiêu? Năng lượng tương đương của khối lượng này là bao nhiêu? Sức mạnh lái xe là gì?

Vì phạm vi bay là 1.000 năm ánh sáng nên chiều dài của phần tăng tốc là 500 năm ánh sáng. Thăm dò $x=500$, từ công thức (3) chúng ta tìm thấy $\mu=10^3$. Do đó, nếu $M_0$ là khối lượng ban đầu của gói hàng thì ở cuối phần tăng tốc khối lượng của gói hàng là $M_1=10^{-3} M_0$. Vì chiều dài của đoạn giảm tốc cũng là 500 năm ánh sáng và gia tốc (giảm tốc) vẫn là $g$ nên khối lượng của gói hàng ở cuối đoạn này là $M_2=10^{-3} M_1=10^{-6} M_0$. Trên đường về, sau khi hãm phanh, khối lượng của gói hàng sẽ bằng $M=10^{-6} M_2=10^{-12} M_0$. Đây là khối lượng hữu ích của tàu, bằng 10 tấn. Từ đây chúng ta nhận được $M_0=10^{13}$ tấn, bằng khối lượng của vệ tinh Phobos của sao Hỏa. Năng lượng tương đương của khối lượng này là $E=M_0 c^2 \approx 10^{40} \text{эр}$. Con số này gấp $10^{13}$ lần mức tiêu thụ năng lượng hàng năm hiện nay trên toàn cầu.

Bây giờ chúng ta hãy xác định sức mạnh của chuyển động, mà theo lý thuyết tên lửa photon thì bằng

$$P=M_0 \text{ ca.}$$

(5)

Thay thế giá trị $M_0$ ở đây, chúng ta tìm thấy $P=3 \cdot 10^{25} \text{ бт}$. Con số này chỉ nhỏ hơn 10 lần so với năng lượng bức xạ mặt trời. Nhưng khối lượng của Mặt trời là $2 \cdot 10^{33} \text{ e}$, và khối lượng gói hàng của chúng ta chỉ là $10^{19} \text{ e}$. Do đó, công suất riêng của Mặt trời (tính trên 1 khối lượng) là khoảng $10^{-7} \text{ бт/е}$ và công suất riêng của chuyển động của gói photon trong ví dụ của chúng ta phải bằng $3 \cdot 10^6 \text{ бт/е}$, tức là cao hơn 13,5 bậc độ lớn. Tất nhiên, đây là một giá trị cực kỳ lớn. Nếu khối lượng của nhà máy thủy điện Bratsk là 1 kW thì nó sẽ có công suất riêng tương tự. Để so sánh, chúng tôi lưu ý rằng các lò phản ứng trên tàu hiện đại có mật độ công suất vào khoảng $10^{-2} \text{ бт/е}$.

Những khó khăn chúng tôi gặp phải trong lĩnh vực này là điều dễ hiểu. Trong nỗ lực tiếp cận “những người anh em” của mình, chúng tôi đang cố gắng tăng tốc một vật nặng (một con tàu chở các phi hành gia) lên gần tốc độ ánh sáng. Nhưng trong tự nhiên có những hạt không có khối lượng nghỉ (photon, neutrino), không cần gia tốc hoặc chỉ có thể tồn tại khi chuyển động với tốc độ ánh sáng. Chúng ta có nên sử dụng dịch vụ của họ không? Ở cuộc sống thượng lưu, chúng ta liên tục làm điều này khi có cơ hội, xem TV hoặc nói chuyện điện thoại. Sóng điện từ sẽ truyền tải thông tin một cách trung thực đến các thuê bao của chúng tôi. Vì vậy, hãy thử sử dụng nó để liên lạc với các nền văn minh khác.

Giả sử rằng chúng ta có năng lượng cỡ $10^{40} \text{ эр}$ và có thể chế tạo tên lửa photon có công suất đẩy $3 \cdot 10^{25} \text{ бт}$ hoặc một máy phát có cùng công suất. Chúng ta nên chọn con đường nào? Với một lực đẩy nhất định, một tên lửa photon, như chúng ta đã thấy, có thể di chuyển tới khoảng cách 1.000 năm ánh sáng và quay trở lại. TRONG

28

Một quả cầu có bán kính này chứa khoảng 10 triệu ngôi sao. Nhưng gói tin chỉ có thể đến được một trong số họ. Làm thế nào để chọn nó? Chẳng phải nguy cơ phạm sai lầm là quá lớn sao?

Hãy thử đi một con đường khác. Chúng ta sẽ phát ra sóng điện từ theo mọi hướng trong không gian, sử dụng chúng để truyền tải thông tin tới định nghĩa. Từ quan điểm năng lượng, đây là loại kết nối bất lợi nhất (khi năng lượng bị tiêu tán theo mọi hướng). Nhưng bất kỳ người đăng ký nào, dù ở hướng nào, đều có thể nhận được tín hiệu của chúng tôi nên chắc chắn chúng tôi sẽ không bỏ lỡ.

Hãy tính toán phạm vi có thể nhận được tín hiệu từ máy phát của chúng tôi. Dòng năng lượng truyền qua một bề mặt đơn vị ở khoảng cách $R$ tính từ máy phát bằng

$$\frac{P}{4\pi R^2} \text{ бт/m}^2$$

trong đó $P$ là công suất máy phát.
Nếu $A$ là diện tích hiệu dụng của anten thu thì công suất tín hiệu thu sẽ bằng

$$P_c = \frac{PA}{4\pi R^2} \text{ бт}$$

Hãy đặt $R=10^5$ năm ánh sáng, bằng đường kính của Thiên hà của chúng ta và đặt $A=10^4$ m$^2$ (các thiết bị viễn thông vô tuyến tương tự đã tồn tại trên Trái đất). Khi đó công suất tín hiệu sẽ là $2.4 \cdot 10^{-14}$ bt. Tín hiệu như vậy có thể được phát hiện đầy đủ bằng thiết bị thu có độ nhạy cao. Điều này có nghĩa là bất kể người đăng ký của chúng tôi ở đâu trong Thiên hà, anh ấy đều có thể đăng ký các tín hiệu chúng tôi gửi. Trong trường hợp này, máy phát có thể hoạt động liên tục cả năm trước khi chúng ta cạn kiệt nguồn năng lượng dự trữ hiện có ($10^{40}$ er$^2$). Trong thời gian này, nó sẽ có thể truyền $10^{14}-10^{15}$ bit thông tin. Để so sánh, một trang văn bản in chứa khoảng $10^4$ bit thông tin. Do đó, chúng tôi có thể truyền một văn bản dài $10^{10}-10^{11}$ trang. Đây là cả một thư viện - hàng chục triệu tập, mỗi tập 1.000 trang.

Vì vậy, bây giờ hãy quyết định điều gì tốt hơn: bay đến một nơi nào đó mà tôi không biết ở đâu hoặc gửi máy thu thanh của bạn cho tất cả những người có thể nghe thấy nó.

Về vấn đề này, bài toán cuối cùng là để giải mã. Bạn đã nhận được một tín hiệu từ không gian, như trong Hình 3. Nó bao gồm năm chuỗi xung liên tiếp. Các số trong mỗi chuỗi biểu thị khoảng cách giữa các xung (được đo bằng phân số của khoảng thời gian của một xung, nghĩa là $t/\Delta t$).

Hãy thử giải mã thông điệp này.