Сверхэффективные компьютеры инопланетян выдадут себя сами: физики рассчитали уникальный тепловой сигнал развитых цивилизаций
Полвека поисков внеземных цивилизаций в инфракрасном диапазоне не дали убедительных результатов: почти все кандидаты в «сферы Дайсона» при проверке оказывались далекими галактиками, скрытыми за космической пылью. Как показывает исследование астрофизика Майкла Гарретта из Манчестерского университета, принятое к публикации в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, причина неудачи проста — астрономы искали не там, где нужно.
Логика Фримена Дайсона, сформулированная еще в 1960 году, опиралась на базовый закон физики: любое использование энергии неизбежно порождает тепло. Цивилизация, перехватившая значительную часть мощности своей звезды, не может накапливать ее бесконечно — материалы разрушаются при нагреве, а емкость любых накопителей конечна. Вся энергия в итоге уходит в космос электромагнитным тепловым сбросом. Однако программы поиска, включая обзоры IRAS, WISE и масштабный проект Hephaistos с анализом пяти миллионов звезд, несли скрытое допущение: искомое излучение должно иметь температуру от ста до шестисот кельвинов, то есть соответствовать условиям планет земного типа и биологической жизни.
Гарретт предлагает развернуть поиск на 180 градусов. Если цивилизация выходит за рамки биологических ограничений, ее главным потребителем энергии становится цифровая обработка информации — а здесь вступает в силу принцип Ландауэра, доказанный в 1961 году. Любая необратимая логическая операция, при которой информация стирается или перезаписывается, увеличивает энтропию Вселенной и выделяет тепло. Минимальная энергия на стирание одного бита прямо пропорциональна абсолютной температуре процессора. При комнатной температуре в 300 кельвинов эта цена составляет около трех десятитысячных долей наноджоуля, а при охлаждении до десяти кельвинов падает ровно в тридцать раз. Для цивилизации, ограниченной мощностью звезды, это означает возможность выполнить в тридцать раз больше вычислений при том же энергопотреблении.
Возникает соблазн разместить суперкомпьютеры рядом со звездой и охлаждать их мощными холодильниками. Но второй закон термодинамики в формулировке цикла Карно неумолим: работа на принудительное охлаждение стремительно нарастает по мере приближения температуры процессоров к абсолютному нулю в теплой среде. Затраты на охлаждающие контуры начинают многократно превышать энергопотребление самих чипов. Единственный выход — переместить аппаратуру туда, где холоден сам космос. Предельным термодинамическим дном выступает реликтовое микроволновое излучение с температурой 2,725 кельвина.
Удаление вычислительной инфраструктуры во внешние области звездных систем дает дополнительный эффект — пассивный переход материалов в сверхпроводящее состояние. Оксидные высокотемпературные проводники переходят в него ниже 93 кельвинов, соединение магния и бора — ниже 39 кельвинов, металлический ниобий теряет сопротивление при 9,3 кельвина. В земных условиях для этого нужны тяжелые криогенные системы на жидком азоте или гелии, а на окраинах планетных систем космический холод обеспечивает эти условия естественным путем. Исчезает омический нагрев линий передач, сводятся к минимуму тепловые шумы, создаются идеальные условия для квантовой когерентности в вычислительных регистрах.
Может показаться, что холодные объекты в космосе слишком тусклы для фиксации с межзвездных расстояний. Закон Стефана — Больцмана говорит об обратном: мощность излучения пропорциональна четвертой степени температуры. Если система потребляет фиксированную мощность, скажем, миллиард ватт, все эти ватты должны уйти наружу независимо от рабочей температуры. Но способность каждого квадратного метра сбрасывать тепло падает пропорционально четвертой степени температуры. Снижение температуры излучателя с 300 до 12 кельвинов — уменьшение в 25 раз — требует увеличения площади радиатора почти в 400 тысяч раз. При 300 кельвинах для рассеяния одного ватта нужна площадь около тысячной доли квадратного метра, при 30 кельвинах — уже 11 квадратных метров, при 12 кельвинах — 425 квадратных метров. Низкотемпературная вычислительная структура физически не может быть компактной, но ее суммарное излучение не слабеет — оно переносится в субмиллиметровый диапазон, распределяясь по миллионам квадратных километров тонких панелей.
Опираясь на эти расчеты, Гарретт описал теоретическую модель, названную «гало Слыша» — в честь советского радиоастронома Вячеслава Слыша, который еще в 1985 году на конференции Международного астрономического союза в Бостоне доказал, что максимальная термодинамическая отдача мегаструктур требует охлаждения почти до температуры реликтового излучения, и призвал искать внеземные цивилизации в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. Гало Слыша — не сплошная оболочка, а разреженный рой автономных модулей в зоне, где естественная температура радиационного равновесия составляет от пяти до двадцати восьми кельвинов.
Архитектура этой структуры определяется тремя физическими свойствами. Плоская двусторонняя панель на удалении в сотни астрономических единиц улавливает слабый оптический свет одной стороной, вырабатывая электроэнергию, и одновременно сбрасывает тепло обеими плоскостями — площадь приема точно равна площади излучения. Модули создаются на основе ультратонких пленок с поверхностной плотностью около пяти граммов на квадратный метр. Для системы мощностью 23 триллиона ватт, соответствующей текущему энергопотреблению всего человечества, потребуется масса около 40 миллиардов тонн — примерно 20 процентов массы ледяного ядра кометы Галлея. Для структуры мощностью 70 миллиардов миллиардов ватт, порога чувствительности современных телескопов на расстоянии тридцати световых лет, нужно вещество массой менее одной пятой массы карликовой планеты Церера. Разрушать землеподобные планеты не требуется — углерода, кремния, алюминия и железа в избытке в поясах астероидов и кометных телах.
На легкие тонкопленочные конструкции действуют две противонаправленные силы: гравитация звезды притягивает к центру, радиационное давление фотонов отталкивает наружу. Поскольку обе силы обратно пропорциональны квадрату расстояния, их баланс сохраняется на любой орбите. Для мембран плотностью пять граммов на квадратный метр сила светового отталкивания составляет примерно 15 процентов от гравитационного притяжения — давление света лишь слегка ослабляет притяжение, делая звезду гравитационно легче на 15 процентов. Чтобы радиационное давление выбросило конструкцию за пределы системы, плотность пленки должна быть ниже 1,5 грамма на квадратный метр. Пленки с плотностью пять граммов надежно удерживаются на замкнутых орбитах без затрат топлива.
Расстояние от звезды до зоны оптимального холода зависит от ее светимости. Для солнцеподобных звезд температурная зона от 28 до 5 кельвинов простирается на дистанциях от ста до 3100 астрономических единиц — далеко в области внешнего кометного облака. Совершенно иначе у красных карликов спектрального класса М, составляющих более
