A technological capability scale for civilizations from the Kardashev and Barrow scales

Um zu verstehen, wie weit eine Zivilisation reisen könnte, haben Wissenschaftler lange Zeit zwei verschiedene Maße herangezogen. Das eine misst, wie viel Energie eine Gesellschaft erfassen und nutzen kann, von der Kraft eines einzelnen Sterns bis hin zur Gesamtleistung einer ganzen Galaxie. Das andere misst, wie klein eine Gesellschaft ihre Werkzeuge machen kann, vom Bau von Häusern bis hin zur Manipulation einzelner Atome. Jahrzehntelang wurden diese zwei Arten, Fortschritt zu messen, getrennt gehalten. Das eine sagt uns etwas über die Größe des Treibstofftanks einer Zivilisation, während das andere uns etwas über die Präzision ihres Schraubenschlüssels verrät. Doch eine neue Studie legt nahe, dass wir, um das Potenzial intelligenten Lebens wirklich zu verstehen, sie zu einer einzigen, einheitlichen Skala kombinieren müssen. Dieser neue Ansatz stellt eine einfache, fundamentale Frage: Wie oft kann eine Zivilisation den Zustand eines einzelnen Materiestücks in einer Sekunde ändern?

Die Forscher, die von Institutionen wie dem Massachusetts Institute of Technology und dem California Institute of Technology kommen, schlagen einen neuen Weg vor, Zivilisationen basierend auf ihrer Fähigkeit zur Durchführung von „Kontrolloperationen“ einzustufen. Eine Kontrolloperation wird definiert als das Nehmen eines winzigen Stücks Materie – wie eines Atoms oder eines Schalters – und das Erzwingen eines spezifischen Zustands, etwa das Ein- oder Ausschalten, unabhängig davon, was es zuvor tat. Dies ist der grundlegende Akt des Schreibens von Informationen oder des Bauens von etwas. Die Studie argumentt, dass das wahre Maß der Macht einer Zivilisation nicht nur darin liegt, wie viel Energie sie besitzt, sondern wie effizient sie diese Energie nutzen kann, um diese winzigen Akte der Kontrolle auszuführen. Durch das Zählen, wie viele dieser Operationen eine Gesellschaft pro Sekunde durchführen kann, erschafft der Autor eine einzige Zahl, die sowohl die Größenordnung seiner Energie als auch die Präzision seiner Technologie erfasst.

Die Studie baut auf zwei berühmten Ideen aus der Vergangenheit auf. Die erste, bekannt als Kardaschow-Skala, stuft Zivilisationen nach ihrem gesamten Energieverbrauch ein. Eine Typ-I-Zivilisation nutzt die gesamte Energie, die auf ihren Planeten von ihrem Stern fällt. Eine Typ-II-Zivilisation kontrolliert die Energie ihres gesamten Sterns, und eine Typ-III-Zivilisation beherrscht die Energie ihrer ganzen Galaxie. Die zweite Idee, die Barrow-Skala, stuft Zivilisationen danach ein, wie kleine Dinge sie manipulieren können. Eine Zivilisation am oberen Ende dieser Skala baut vielleicht Städte, während eine weiter unten auf der Skala Gene, dann Moleküle, dann Atome und schließlich die Kerne innerhalb dieser Atome manipulieren könnte. Das neue Papier vereinheitlicht diese, indem es berechnet, wie oft eine Zivilisation ein Bit an Information pro Sekunde zurücksetzen kann, gegeben ihre gesamte Energie und die kleinste Skala, die sie erreichen kann.

Die Forscher fanden heraus, dass für jede Zivilisation, die Wärme in die kalte Leere des Weltraums abstrahlt, es eine harte physikalische Grenze gibt, wie effizient sie arbeiten kann. Diese Grenze wird durch die Temperatur des Universums selbst gesetzt, die derzeit etwa 2,7 Grad über dem absoluten Nullpunkt liegt. Wenn eine Zivilisation versucht, Informationen zu löschen oder ein Bit an Materie zu setzen, muss sie Wärme irgendwo abgeben. Wenn diese Wärme in den aktuellen Himmel geht, kann eine Zivilisation nicht effizienter als eine bestimmte Basislinie sein. Dies bedeutet, dass für jede Zivilisation, die derzeit Wärme in den Weltraum abstrahlt, ihre Gesamtkapazität durch ihre Gesamtenergie begrenzt ist. Je mehr Energie sie hat, desto mehr Operationen kann sie durchführen, aber sie kann die durch die Temperatur des Universums gesetzte Effizienz-Obergrenze nicht durchbrechen.

Als der Autor diese Skala auf die Menschheit anwandte, fand er, dass wir uns derzeit auf einem Niveau von 0,73 auf der Energieskala befinden, was bedeutet, dass wir etwa die Hälfte der Energie einer vollen Typ-I-Zivilisation nutzen. Unsere Effizienz ist jedoch noch weit von der theoretischen Grenze entfernt. Die Studie zeigt, dass der Großteil unseres Fortschritts in der Rechenleistung im letzten Jahrhundert nicht durch den Erwerb von mehr Energie zustande kam, sondern durch eine wesentlich bessere Nutzung der Energie, die wir bereits haben. Seit 1950 ist die benötigte Energie für eine einzige Logikoperation um mehr als elf Größenordnungen gesunken. Dieser massive Gewinn kam primlich daher, dass Geräte kleiner und effizienter wurden, und nicht etwa durch den Bau größerer Kraftwerke. Der Autor stellt fest, dass wir zwar die Manipulation von Atomen und sogar Kernen im Labor beherrscht haben, unsere alltäglichen Maschinen jedoch immer noch eine enorme Menge an Energie verschwenden, verglichen mit dem absoluten Minimum, das durch die Gesetze der Physik gefordert wird.

Das Papier untersucht auch, was die ultimative Zukunft bringen könnte. Wenn eine Zivilisation die maximal durch die Gesetze der Physik erlaubte Leistung nutzen und ihre Abwärme in die kälteste mögliche Senke – ein Schwarzes Loch am Rande des Universums – abgeben könnte, könnte sie einen Kapazitätsindex von 7,58 erreichen. Dies ist eine theoretische Grenze, ein Eckpunkt auf der Landkarte, den keine Zivilisation bisher erreicht hat und vielleicht auch nie erreichen wird. Es repräsentiert eine Maschine, die Operationen mit Lichtgeschwindigkeit bei maximal möglicher Energieeffizienz ausführt. Die Studie legt nahe, dass wir zwar derzeit weit von dieser Grenze entfernt sind, der Weg nach vorne jedoch klar ist: Wir müssen unsere Geräte weiter verkleinern und unsere Effizienz verbessern, denn das bloße Hinzufügen von mehr Leistung wird nicht ausreichen, um die höchsten Ebenen der Leistungsfähigkeit zu erreichen.

Einer der bemerkenswertesten Befunde ist, dass die Skala des manipulierten Objekts die fundamentale Energiekosten für das Löschen eines Bits nicht verändert. Egal, ob man einen Schalter an einer riesigen Maschine umlegt oder den Spin eines einzelnen Atomkerns setzt – die minimale benötigte Energie ist dieselbe, wenn der Ausgangszustand zufällig ist. Dies bedeutet, dass der Übergang zu kleineren Skalen eine Zivilisation nicht automatisch effizienter macht; sie ermöglicht lediglich eine dichtere Speicherung und schnellere Verarbeitung, sofern die Energiekosten pro Operation ebenfalls reduziert werden. Der Autor zeigt, dass die Menschheit darin besser geworden ist, aber wir sind noch weit von dem Punkt entfernt, an dem unsere Maschinen am absoluten Limit der Effizienz operieren.

Die Studie klärt auch, was möglich ist und was nicht. Sie widerlegt die Vorstellung, dass eine Zivilisation eine unendliche Anzahl von Operationen mit einer endlichen Menge an Energie durchführen kann. Es gibt einen harten Stopp, der durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik diktiert wird. Sobald eine Zivilifikation den Punkt erreicht hat, an dem sie mit den minimalen Energiekosten arbeitet, die die Physik erlaubt, ist der einzige Weg, mehr Arbeit zu leisten, entweder mehr Energie zu erhalten oder einen kälteren Ort zu finden, um ihre Wärme abzugeilt. Der Autor deutet an, dass sich, falls das Universum weiter expandiert und abkühlt, in der fernen Zukunft neue Möglichkeiten eröffnen könnten, aber für den Moment sind die Grenzen durch die Temperatur der kosmischen Hintergrundstrahlung gesetzt.

Letztendlich bietet diese neue Skala eine Möglichkeit, über die Zukunft der Technologie nicht nur als Wettlauf um mehr Leistung nachzudenken, sondern als eine Reise zu größerer Präzision. Sie legt nahe, dass die fortschrittlichsten Zivilisationen im Universum nicht unbedingt diejenigen sind, die die größten Sterne besitzen, sondern diejenigen, die gelernt haben, aus dem Wenigsten das Meiste zu machen. Indem die Forscher das Maß der Energie mit dem Maß der Effizienz kombinierten, haben sie eine neue Landkarte erstellt, um zu verstehen, wo wir stehen und wohin wir gehen könnten. Die Reise von unseren heutigen Maschinen zur ultimativen Technologie ist ein langer Weg, aber der Pfad ist nun klarer definiert durch die doppelten Ziele, mehr Energie zu sammeln und sie mit perfekter Sorgfalt einzusetzen.