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

Per capire quanto lontano possa viaggiare una civiltà, gli scienziati hanno a lungo osservato due diversi parametri. Uno misura quanta energia una società può catturare e utilizzare, dalla potenza di una singola stella alla produzione totale di un'intera galassia. L'altro misura quanto una società possa rendere piccoli i suoi strumenti, dalla costruzione di case alla manipolazione dei singoli atomi. Per decenni, questi due modi di misurare il progresso sono stati tenuti separati. Uno ci parla della dimensione del serbatoio di carburante di una civiltà, mentre l'altro ci parla della precisione della sua chiave inglese. Ma un nuovo studio suggerisce che, per comprendere veramente il potenziale della vita intelligente, dobbiamo combinarli in una scala unica e unificata. Questo nuovo approccio pone una domanda semplice e fondamentale: quante volte una civiltà può cambiare lo stato di un singolo pezzo di materia in un secondo?

I ricercatori, che lavorano da istituzioni tra cui il Massachusetts Institute of Technology e il California Institute of Technology, propongono un nuovo modo per classificare le civiltà in base alla loro capacità di eseguire "operazioni di controllo". Un'operazione di controllo è definita come il prendere un minuscolo pezzo di materia — come un atomo o un interruttore — e forzarlo in uno stato specifico, come accendere o spegnere, indipendentemente da ciò che stava facendo prima. Questo è l'atto fondamentale di scrivere informazioni o costruire qualcosa. Lo studio sostiene che la vera misura del potere di una civiltà non è solo quanta energia possiede, ma quanto efficientemente può usare quell'energia per eseguire questi piccoli atti di controllo. Contando quanti di questi processi una società può eseguire ogni secondo, l'autore crea un numero singolo che cattura sia la scala della sua energia sia la precisione della sua tecnologia.

Lo studio si basa su due famosi concetti del passato. Il primo, noto come scala di Kardashev, classifica le civiltà in base al loro consumo energetico totale. Una civiltà di Tipo I utilizza tutta l'energia che cade sul suo pianeta dalla sua stella. Una civiltà di Tipo II controlla l'energia della sua intera stella, e una di Tipo III comanda l'energia della sua intera galassia. Il secondo concetto, la scala di Barrow, classifica le civiltà in base alle cose più piccole che possono manipolare. Una civiltà all'apice di questa scala potrebbe costruire città, mentre una più avanti nella scala potrebbe manipolare geni, poi molecole, poi atomi e infine i nuclei all'interno di quegli atomi. Il nuovo articolo li unifica calcolando quante volte una civiltà può resettare un bit di informazione al secondo, data la sua energia totale e la scala minima che può raggiungere.

I ricercatori hanno scoperto che per qualsiasi civiltà che irradia calore nel vuoto freddo dello spazio, esiste un limite fisico invalicabile all'efficienza con cui può lavorare. Questo limite è stabilito dalla temperatura dell'universo stesso, che attualmente è di circa 2,7 gradi sopra lo zero assoluto. Se una civiltà tenta di cancellare informazioni o impostare un bit di materia, deve dissipare il calore da qualche parte. Se quel calore va nel cielo attuale, la civiltà non può essere più efficiente di una certa linea di base. Ciò significa che, per qualsiasi civiltà che attualmente irradia calore nello spazio, la sua capacità totale è limitata dalla sua energia totale. Più energia si ha, più operazioni si possono eseguire, ma non si può rompere il soffitto di efficienza stabilito dalla temperatura dell'universo.

Quando l'autore ha applicato questa scala all'umanità, ha scoperto che siamo attualmente a un livello di 0,73 sulla scala energetica, il che significa che utilizziamo circa metà dell'energia di una civiltà di Tipo I completa. Tuttavia, la nostra efficienza è ancora lontana dal limite teorico. Lo studio mostra che gran parte del nostro progresso nella potenza di calcolo nell'ultimo secolo non è derivato dall'ottenere più energia, ma dall'essere diventati molto più bravi a usare l'energia che abbiamo. Dal 1950, l'energia necessaria per eseguire una singola operazione logica è diminuita di oltre undici ordini di grandezza. Questo enorme guadagno è derivato in gran parte dal rendere i dispositivi più piccoli ed efficienti, piuttosto che dal costruire centrali elettriche più grandi. L'autore osserva che, sebbene abbiamo padroneggiato la manipolazione di atomi e persino di nuclei in laboratorio, le nostre macchine quotidiane sprecano ancora una quantità enorme di energia rispetto al minimo assoluto richiesto dalle leggi della fisica.

Il documento esamina anche cosa potrebbe riservare il futuro ultimo. Se una civiltà potesse sfruttare la massima potenza consentita dalle leggi della fisica e scaricare il suo calore residuo nel pozzo più freddo possibile — un buco nero vicino al bordo dell'universo — potrebbe raggiungere un indice di capacità di 7,58. Questo è un limite teorico, un angolo della mappa che nessuna civiltà ha raggiunto e forse non raggiungerà mai. Rappresenta una macchina che esegue operazioni alla velocità della luce con la massima possibile efficienza energetica. Lo studio suggerisce che, sebbene siamo attualmente lontani da questo limite, la strada da seguire è chiara: dobbiamo continuare a rimpicciolire i nostri dispositivi e migliorare la nostra efficienza, perché semplicemente aggiungere più potenza non sarà sufficiente per raggiungere i livelli più alti di capacità.

Uno dei risultati più sorprendenti è che la scala dell'oggetto manipolato non cambia il costo energetico fondamentale per cancellare un bit di informazione. Che si stia azionando un interruttore su una macchina gigante o si stia impostando lo spin di un singolo nucleo atomico, l'energia minima richiesta è la stessa se lo stato iniziale è casuale. Ciò significa che passare a scale più piccole non rende automaticamente una civiltà più efficiente; permette solo una memorizzazione più densa e un'elaborazione più veloce se anche il costo energetico per operazione viene ridotto. L'autore mostra che l'umanità è migliorata in questo, ma siamo ancora lontani dal punto in cui le nostre macchine operano al limite assoluto dell'efficienza.

Lo studio chiarisce anche cosa è possibile e cosa non lo è. Esclude l'idea che una civiltà possa eseguire un numero infinito di operazioni con una quantità finita di energia. Esiste un arresto netto, dettato dalla seconda legge della termodinamica. Una volta che una civiltà raggiunge il punto in cui opera al costo energetico minimo consentito dalla fisica, l'unico modo per fare più lavoro è ottenere più energia o trovare un luogo più freddo dove scaricare il calore. L'autore suggerisce che, in un futuro lontano, se l'universo continuerà a espandersi e a raffreddarsi, potrebbero aprirsi nuove opportunità, ma per ora i limiti sono stabiliti dalla temperatura della radiazione cosmica di fondo.

In definitiva, questa nuova scala offre un modo per pensare al futuro della tecnologia non solo come una corsa verso una maggiore potenza, ma come un viaggio verso una maggiore precisione. Suggerisce che le civiltà più avanzate dell'universo non sono necessariamente quelle con le stelle più grandi, ma quelle che hanno imparato a fare di più con il meno possibile. Combinando la misura dell'energia con la misura dell'efficienza, i ricercatori hanno fornito una nuova mappa per comprendere dove ci troviamo e dove potremmo andare. Il viaggio dalle nostre macchine attuali alla tecnologia ultima è un lungo percorso, ma la via è ora più chiara, definita dai duplici obiettivi di raccogliere più energia e usarla con cura perfetta.