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

Pour comprendre jusqu'où une civilisation pourrait voyager, les scientifiques observent depuis longtemps deux types de mesures différents. L'un mesure la quantité d'énergie qu'une société peut capter et utiliser, de la puissance d'une seule étoile à la production totale d'une galaxie entière. L'autre mesure la capacité d'une société à rendre ses outils de plus en plus petits, de la construction de maisons à la manipulation d'atomes individuels. Pendant des décennies, ces deux façons de mesurer le progrès sont restées séparées. L'une nous renseigne sur la taille du réservoir de carburant d'une civilisation, tandis que l'autre nous renseigne sur la précision de sa clé à molette. Mais une nouvelle étude suggère que pour véritablement comprendre le potentiel de la vie intelligente, nous devons les combiner en une échelle unique et unifiée. Cette nouvelle approche pose une question simple et fondamentale : combien de fois une civilisation peut-elle changer l'état d'un seul morceau de matière en une seconde ?

Les chercheurs, travaillant à partir d'institutions incluant le Massachusetts Institute of Technology et le California Institute of Technology, proposent une nouvelle façon de classer les civilisations en fonction de leur capacité à effectuer des « opérations de contrôle ». Une opération de contrôle est définie comme le fait de prendre un minuscule morceau de matière — comme un atome ou un interrupteur — et de le forcer dans un état spécifique, tel que l'allumer ou l'éteindre, quel que soit son état précédent. Il s'agit de l'acte de base de l'écriture d'informations ou de la construction de quelque chose. L'étude soutient que la véritable mesure de la puissance d'une civilisation n'est pas seulement l'énergie dont elle dispose, mais l'efficacité avec laquelle elle peut utiliser cette énergie pour effectuer ces minuscules actes de contrôle. En comptant combien de ces opérations une société peut effectuer chaque seconde, l'auteur crée un nombre unique qui capture à la fois l'échelle de son énergie et la précision de sa technologie.

L'étude s'appuie sur deux idées célèbres du passé. La première, connue sous le nom d'échelle de Kardashev, classe les civilisations selon leur consommation totale d'énergie. Une civilisation de Type I utilise toute l'énergie qui tombe sur sa planète de la part de son étoile. Une civilisation de Type II contrôle l'énergie de son étoile entière, et une civilisation de Type III commande l'énergie de sa galaxie tout entière. La seconde, l'échelle de Barrow, classe les civilisations selon la taille des plus petites choses qu'elles peuvent manipuler. Une civilisation au sommet de cette échelle pourrait construire des villes, tandis qu'une autre plus bas pourrait manipuler des gènes, puis des molécules, puis des atomes, et enfin les noyaux à l'intérieur de ces atomes. Le nouveau papier unifie ces concepts en calculant combien de fois une civilisation peut réinitialiser un bit d'information par seconde, compte tenu de son énergie totale et de la plus petite échelle qu'elle peut atteindre.

Les chercheurs ont découvert que pour toute civilisation rayonnant de la chaleur dans le vide froid de l'espace, il existe une limite physique stricte à l'efficacité de son travail. Cette limite est fixée par la température de l'univers lui-même, qui est actuellement d'environ 2,7 degrés au-dessus du zéro absolu. Si une civilisation tente d'effacer des informations ou de définir un bit de matière, elle doit évacuer de la chaleur quelque part. Si cette chaleur est rejetée dans le ciel actuel, la civilisation ne peut pas être plus efficace qu'un certain niveau de base. Cela signifie que pour toute civilisation rayonnant actuellement de la chaleur dans l'espace, sa capacité totale est plafonnée par son énergie totale. Plus elle possède d'énergie, plus elle peut effectuer d'opérations, mais elle ne peut pas briser le plafond d'efficacité fixé par la température de l'univers.

Lorsque l'auteur a appliqué cette échelle à l'humanité, il a constaté que nous nous situons actuellement à un niveau de 0,73 sur l'échelle énergétique, ce qui signifie que nous utilisons environ la moitié de l'énergie d'une civilisation de Type I complète. Cependant, notre efficacité est encore loin de la limite théorique. L'étude montre que la majeure partie de nos progrès en matière de puissance de calcul au cours du dernier siècle n'est pas venue de l'obtention de plus d'énergie, mais du fait de mieux utiliser l'énergie dont nous disposons. Depuis 1950, l'énergie requise pour effectuer une seule opération logique a chuté de plus de onze ordres de grandeur. Ce gain massif est venu principalement de la réduction de la taille et de l'amélioration de l'efficacité des dispositifs, plutôt que de la construction de centrales électriques plus grandes. L'auteur note que bien que nous ayons maîtrisé la manipulation des atomes et même des noyaux en laboratoire, nos machines quotidiennes gaspillent encore une quantité énorme d'énergie par rapport au minimum absolu requis par les lois de la physique.

Le document examine également ce que l'avenir ultime pourrait réserver. Si une civilisation pouvait exploiter la puissance maximale autorisée par les lois de la physique et rejeter sa chaleur résiduelle dans le puits le plus froid possible — un trou noir près du bord de l'univers — elle pourrait atteindre un indice de capacité de 7,58. C'est une limite théorique, un coin de la carte qu'aucune civilisation n'a atteint et n'atteindra peut-être jamais. Elle représente une machine effectuant des opérations à la vitesse de la lumière avec l'efficacité énergétique maximale possible. L'étude suggère que bien que nous soyons actuellement loin de cette limite, la voie à suivre est claire : nous devons continuer à miniaturiser nos dispositifs et à améliorer notre efficacité, car ajouter simplement plus de puissance ne suffira pas à atteindre les niveaux de capacité les plus élevés.

L'une des conclusions les plus frappantes est que l'échelle de l'objet manipulé ne change pas le coût énergétique fondamental de l'effacement d'un bit d'information. Que vous basculiez un interrupteur sur une machine géante ou que vous régliez le spin d'un seul noyau atomique, l'énergie minimale requise est la même si l'état initial est aléatoire. Cela signifie que passer à des échelles plus petites ne rend pas automatiquement une civilisation plus efficace ; cela permet seulement un stockage plus dense et un traitement plus rapide si le coût énergétique par opération est également réduit. L'auteur montre que l'humanité s'est améliorée sur ce point, mais nous sommes encore loin du moment où nos machines opèrent à la limite absolue d'efficacité.

L'étude clarifie également ce qui est possible et ce qui ne l'est pas. Elle écarte l'idée qu'une civilisation puisse effectuer un nombre infini d'opérations avec une quantité finie d'énergie. Il existe un arrêt brutal, dicté par le second principe de la thermodynamique. Une fois qu'une civilisation atteint le point où elle opère au coût énergétique minimal autorisé par la physique, la seule façon de faire plus de travail est d'obtenir plus d'énergie ou de trouver un endroit plus froid pour évacuer sa chaleur. L'auteur suggère que dans le futur lointain, si l'univers continue de s'étendre et de se refroidir, de nouvelles opportunités pourraient s'ouvrir, mais pour l'instant, les limites sont fixées par la température du rayonnement de fond cosmologique.

En fin de compte, cette nouvelle échelle offre une façon de concevoir l'avenir de la technologie non pas seulement comme une course pour plus de puissance, mais comme un voyage vers une plus grande précision. Elle suggère que les civilisations les plus avancées de l'univers ne sont pas nécessairement celles qui possèdent les étoiles les plus grandes, mais celles qui ont appris à faire le plus avec le moins. En combinant la mesure de l'énergie avec la mesure de l'efficacité, les chercheurs ont fourni une nouvelle carte pour comprendre où nous en sommes et où nous pourrions aller. Le voyage de nos machines actuelles vers la technologie ultime est long, mais le chemin est désormais plus clair, défini par le double objectif de collecter plus d'énergie et de l'utiliser avec une attention parfaite.