Trong năm phút: phương trình Drake
Phương trình Drake là một cách đặt câu hỏi: có bao nhiêu nền văn minh trong Dải Ngân Hà có thể đang phát tín hiệu mà chúng ta bắt được? Frank Drake, một nhà thiên văn vô tuyến, viết nó năm 1961 làm chương trình nghị sự cho một cuộc họp nhỏ tại Đài quan sát Thiên văn Vô tuyến Quốc gia ở Green Bank, Tây Virginia. Khoảng mười nhà khoa học tham dự, trong đó có Carl Sagan khi ấy còn trẻ.
Drake đã thử tìm kiếm thật sự từ trước đó. Năm 1960, ông hướng một kính thiên văn vô tuyến về hai ngôi sao gần giống Mặt Trời là Tau Ceti và Epsilon Eridani, trong dự án mang tên Ozma. Ông không nghe thấy tín hiệu nhân tạo nào. Vì vậy, câu hỏi của năm 1961 là nên hiểu sự im lặng ấy thế nào: khả năng ngoài kia có ai đó cao đến mức nào?
Câu trả lời của ông không phải một con số mà là một chuỗi. Hãy nhân số sao sinh ra mỗi năm, tỷ lệ sao có hành tinh, số hành tinh trong đó có thể có sự sống, và cứ thế tiếp tục cho đến N: số nền văn minh trong thiên hà đang liên lạc ngay lúc này. Mỗi mắt xích là một câu hỏi riêng mà một loại chuyên gia khác nhau có thể xử lý, từ nhà thiên văn, nhà hóa học đến nhà sinh học và nhà sử học.
Tóm gọn: phương trình là tấm bản đồ về những điều chúng ta chưa biết. Các mắt xích về sao và hành tinh nay đã được đo khá tốt. Các mắt xích về sự sống, trí tuệ và thời gian tồn tại của một nền văn minh vẫn chỉ là phỏng đoán, nên N có thể rơi vào bất kỳ đâu, từ thấp hơn một rất nhiều đến hàng triệu. Câu hỏi này cũng là đề tài ưa thích của các nhà văn, và nó xuyên suốt lịch sử khoa học viễn tưởng.
Bảy thừa số, từng cái một
Phương trình là N = R* × fp × ne × fl × fi × fc × L. Nói đơn giản:
- R*: tốc độ hình thành sao mới trong thiên hà của chúng ta, tính bằng số sao mỗi năm. Ước tính hiện nay là vài ngôi sao mỗi năm.
- fp: tỷ lệ sao có hành tinh. Các đợt khảo sát hành tinh hiện cho thấy con số này gần bằng 1: hầu hết các sao có ít nhất một hành tinh.
- ne: số hành tinh trung bình trong mỗi hệ hành tinh có thể nuôi dưỡng sự sống, chẳng hạn các thế giới đá nằm ở khoảng cách mà nước vẫn có thể ở thể lỏng.
- fl: tỷ lệ những hành tinh đó thực sự xuất hiện sự sống. Chúng ta chỉ biết một ví dụ là Trái Đất, nên thừa số này vẫn là phỏng đoán.
- fi: tỷ lệ hành tinh có sự sống nảy sinh sự sống thông minh.
- fc: tỷ lệ loài thông minh xây dựng được công nghệ đủ sức gửi một tín hiệu có thể phát hiện ra ngoài không gian.
- L: số năm một nền văn minh như vậy tiếp tục phát ra tín hiệu mà chúng ta có thể dò được.
Thừa số cuối cùng là cái khiến người ta chùng lòng nhất. N chỉ đếm những nền văn minh đang hoạt động cùng thời với chúng ta. Nếu một xã hội công nghệ chỉ kéo dài vài thế kỷ rồi sụp đổ hoặc im lặng, thì số nền văn minh trùng thời với ta có thể rất ít, dù đã có nhiều nền văn minh từng tồn tại. Để so sánh, loài người mới để lọt sóng vô tuyến ra không gian khoảng một thế kỷ.
Thử tính với con số
Những giá trị đầu vào dưới đây là minh họa của chúng tôi, không phải ước tính đã công bố. Trước hết là bộ số thận trọng: hai ngôi sao mỗi năm, gần như tất cả có hành tinh (1), 0,2 hành tinh có thể sống được trong mỗi hệ, 10% khả năng có sự sống, 1% khả năng xuất hiện trí tuệ, 10% khả năng có công nghệ dò được, và thời gian tồn tại 1.000 năm. Nhân lên, N bằng 0,04. Nhiều khả năng là chúng ta đơn độc.
Bây giờ là bộ số lạc quan: ba ngôi sao mỗi năm, hành tinh có ở khắp nơi (1), 0,4 hành tinh có thể sống được mỗi hệ, sự sống luôn xuất hiện (1), trí tuệ xuất hiện một nửa số lần (0,5), công nghệ xuất hiện một nửa số lần (0,5), và thời gian tồn tại 100.000 năm. N bằng 30.000.
Cả hai bộ số đều dùng những giá trị mà một nhà khoa học có thể bảo vệ ngày nay, nhưng kết quả chênh nhau khoảng 750.000 lần. Khoảng cách đó chính là điểm mấu chốt của phương trình. Nó cho thấy cuộc tranh luận không nằm ở công thức, mà ở ba bốn con số mà chưa ai đo được.
Phần khoa học thực sự
Khi Drake viết phương trình, chưa ai biết đến hành tinh nào bên ngoài Hệ Mặt Trời. Hành tinh đầu tiên quanh một ngôi sao giống Mặt Trời, 51 Pegasi b, được Michel Mayor và Didier Queloz phát hiện năm 1995; hai ông cùng nhận giải Nobel Vật lý 2019 nhờ phát hiện này. Kính thiên văn Kepler của NASA, phóng năm 2009, cho thấy hành tinh rất phổ biến, và số ngoại hành tinh đã xác nhận vượt 5.000 vào năm 2022. Có bao nhiêu sao giống Mặt Trời sở hữu một hành tinh cỡ Trái Đất trong vùng ở được thì vẫn còn tranh luận: các ước tính đã công bố dao động từ vài phần trăm đến vài chục phần trăm, tùy phương pháp. Như vậy R*, fp và một phần của ne đã chuyển từ phỏng đoán sang số đo.
Các thừa số sinh học thì chưa. Trái Đất khoảng 4,5 tỷ năm tuổi, và sự sống xuất hiện khá sớm trong khoảng thời gian đó. Một số nhà nghiên cứu xem đây là gợi ý rằng sự sống dễ bắt đầu. Nhưng một ví dụ không thể xác định một tỷ lệ, và bước đi từ sự sống đơn giản đến công nghệ đã mất hàng tỷ năm ở đây. Chúng ta không có trường hợp thứ hai để so sánh.
Hai bài báo hiện đại đã thay đổi cách giới khoa học dùng phương trình này. Năm 2018, Anders Sandberg, Eric Drexler và Toby Ord tại Viện Tương lai Nhân loại của Oxford lập luận rằng không nên điền vào những ước đoán tốt nhất duy nhất. Thay vào đó, hãy đưa vào toàn bộ khoảng bất định của từng thừa số. Khi làm vậy, một phần lớn xác suất rơi vào kịch bản thiên hà không có nền văn minh nào khác, và họ cho rằng điều này giải tỏa phần lớn bí ẩn vì sao ta không thấy ai. Năm 2016, Adam Frank và Woodruff Sullivan đảo ngược câu hỏi: bỏ qua các thừa số đầu và hỏi sự sống công nghệ phải hiếm đến mức nào trên mỗi hành tinh ở được. Kết luận của họ là trừ khi xác suất thấp hơn khoảng một phần một triệu tỷ tỷ (10²⁴), loài người không phải loài công nghệ duy nhất từng xuất hiện trong vũ trụ. Đây là phát biểu về lịch sử, không phải về việc ai đang ở ngoài kia lúc này.
Những ý tưởng này gắn trực tiếp với nghịch lý Fermi, vốn hỏi vì sao ta không nghe thấy gì nếu phương trình cho phép có nhiều nền văn minh, và với Bộ lọc Vĩ đại, giả thuyết cho rằng có một bước trong chuỗi này cực kỳ khó vượt qua.
Phương trình xuất hiện trong tiểu thuyết thế nào
Tiểu thuyết Contact (1985) của Carl Sagan, sau này được dựng thành phim năm 1997, xoay quanh kiểu tìm kiếm vô tuyến mà Drake đã khởi đầu, và Sagan là một trong những người đưa phương trình đến đông đảo công chúng. Tam thể (The Three-Body Problem) của Lưu Từ Hân đưa ra một lời đáp nổi tiếng cho thừa số L: các nền văn minh có thể giữ im lặng vì phát sóng là điều nguy hiểm. Ý tưởng đó, gọi là rừng tối, được giải thích thêm trong các hướng dẫn khoa học viễn tưởng khác của chúng tôi, và ở đây chúng tôi tránh tiết lộ cốt truyện.
Project Hail Mary (2021) của Andy Weir coi cuộc gặp của hai trí tuệ rất khác nhau là một bài toán thực tế cần giải, và đó là hình dung hay về việc một cuộc trò chuyện liên quan đến fc và L thực sự có thể trông ra sao. Tiết lộ nhẹ: cuốn tiểu thuyết nói về lần tiếp xúc đầu tiên. Bạn có thể xem hướng dẫn của chúng tôi tại Project Hail Mary.
Những hiểu lầm thường gặp
- “Nó dự đoán có bao nhiêu người ngoài hành tinh.” Không. N chỉ đếm những nền văn minh đang phát tín hiệu dò được ngay lúc này. Vi sinh vật, các xã hội im lặng và những nền văn minh đã diệt vong không được tính.
- “Nó là một định luật vật lý.” Không. Nó là công cụ kiểm kê. Chỉ một số thừa số đã được đo, và bản thân công thức không dự đoán gì cho đến khi bạn chọn giá trị đầu vào.
- “Có nhiều sao như vậy thì chắc chắn có người ngoài hành tinh.” Chưa chắc. Nếu xác suất sự sống bắt đầu, hoặc trí tuệ tiến hóa, đủ nhỏ thì dù có hàng trăm tỷ ngôi sao, kết quả vẫn có thể bằng không.
- “Chúng ta chưa nghe thấy gì nên không có ai.” Chưa thể kết luận chắc chắn như vậy. Các cuộc tìm kiếm cho đến nay mới chỉ bao phủ một phần nhỏ bầu trời, tần số và thời gian mà một cuộc tìm kiếm kỹ lưỡng đòi hỏi.
Đọc tiếp
Hãy bắt đầu với nghịch lý Fermi, vốn đặt cùng câu hỏi từ phía ngược lại: nếu phương trình cho phép có nhiều nền văn minh, thì họ đang ở đâu? Sau đó đọc về Bộ lọc Vĩ đại để biết một cách lý giải cho sự im lặng ấy. Còn nếu muốn một câu chuyện đưa lần tiếp xúc đầu tiên lên trang giấy, hãy thử hướng dẫn của chúng tôi về Project Hail Mary.
