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

Om te begrijpen hoe ver een beschaving zou kunnen reizen, kijken wetenschappers al lang naar twee verschillende maatstaven. De ene meet hoeveel energie een samenleving kan grijpen en gebruiken, van de kracht van een enkele ster tot de totale output van een hele melkweg. De andere meet hoe klein een samenleving zijn gereedschappen kan maken, van het bouwen van huizen tot het manipuleren van individuele atomen. Decennialang zijn deze twee manieren om vooruitgang te meten apart gehouden. De ene vertelt ons iets over de grootte van de brandstoftank van een beschaving, terwijl de andere ons iets vertelt over de precisie van haar moersleutel. Een nieuwe studie suggereert dat we, om het potentieel van intelligent leven echt te begrijpen, deze moeten combineren tot één enkele, verenigde schaal. Deze nieuwe benadering stelt een eenvoudige, fundamentele vraag: hoe vaak kan een beschaving de toestand van een enkel stuk materie veranderen in één seconde?

De onderzoekers, werkzaam bij instellingen waaronder het Massachusetts Institute of Technology en het California Institute of Technology, stellen een nieuwe manier voor om beschavingen te rangschikken op basis van hun vermogen om "controle-operaties" uit te voeren. Een controle-operatie wordt gedefinieerd als het nemen van een minuscuul stukje materie — zoals een atoom of een schakelaar — en dit dwingen in een specifieke toestand, zoals het aan- of uitzetten, ongeacht wat het daarvoor deed. Dit is de basisdaad van het schrijven van informatie of het bouwen van iets. De studie betoogt dat de ware maatstaf voor de macht van een beschaving niet alleen is hoeveel energie zij heeft, maar hoe efficiënt zij die energie kan gebruiken om deze kleine handelingen van controle uit te voeren. Door te tellen hoeveel van deze operaties een samenleving elke seconde kan uitvoeren, creëert de auteur één enkel getal dat zowel de schaal van de energie als de precisie van de technologie vastlegt.

De studie bouwt voort op twee beroemde ideeën uit het verleden. Het eerste, bekend als de Kardashev-schaal, rangschikt beschavingen op basis van hun totale energieverbruik. Een Type I-beschaving gebruikt alle energie die op haar planeet valt van haar ster. Een Type II beheerst de energie van haar gehele ster, en een Type III heeft de controle over de energie van haar hele melkweg. Het tweede idee is de Barrow-sala, die beschavingen rangschikt op basis van de kleinste dingen die zij kunnen manipuleren. Een beschaving aan de top van deze schaal bouwt misschien steden, terwijl een beschaving verderop in de schaal genen, moleculen, atomen en uiteindelijk de kernen binnen die atomen manipuleert. Het nieuwe artikel verenigt deze door te berekenen hoe vaak een beschaving een bit aan informatie per seconde kan resetten, gegeven haar totale energie en de kleinste schaal die zij kan bereiken.

De onderzoekers kwamen tot de conclusie dat er voor elke beschaving die warmte uitstraalt naar de koude leegte van de ruimte, een harde fysieke limiet bestaat aan hoe efficiënt zij kan werken. Deze limiet wordt bepaald door de temperatuur van het universum zelf, die momenteel ongeveer 2,7 graden boven het absolute nulpunt ligt. Als een beschaving probeert informatie te wissen of een bit materie in te stellen, moet zij warmte ergens lozen. Als die warmte in de huidige hemel terechtkomt, kan een beschaving niet efficiënter zijn dan een bepaalde baseline. Dit betekent dat voor elke beschaving die momenteel warmte in de ruimte uitstraalt, de totale capaciteit wordt beperkt door haar totale energie. Hoe meer energie zij heeft, hoe meer operaties zij kan uitvoeren, maar zij kan de efficiëntiegrens die door de temperatuur van het universum wordt gesteld niet doorbreken.

Toen de auteur deze schaal op de mensheid toepaste, vond hij dat we ons momenteel op een niveau van 0,73 op de energieschaal bevinden, wat betekent dat we ongeveer de helft van de energie van een volledige Type I-beschaving gebruiken. Onze efficiëntie is echter nog lang niet de theoretische limiet. De studie laat zien dat het grootste deel van onze vooruitgang in rekenkracht gedurende het afgelopen eeuw niet is gekomen door meer energie te verkrijgen, maar door veel beter te worden in het gebruiken van de energie die we hebben. Sinds 1950 is de energie die nodig is om een enkele logische operatie uit te voeren met meer dan elf ordes van grootte afgenomen. Deze enorme winst kwam grotendeels door apparaten kleiner en efficiënter te maken, in plaats van door grotere centrales te bouwen. De auteur merkt op dat hoewel we de manipulatie van atomen en zelfs kernen in het laboratorium hebben beheerst, onze dagelijkse machines nog steeds een enorme hoeveelheid energie verspillen in vergelijking met het absolute minimum dat de wetten van de fysica vereisen.

Het artikel kijkt ook naar wat de ultieme toekomst zou kunnen inhouden. Als een beschaving de maximale kracht zou kunnen benutten die de wetten van de fysica toestaan en haar restwarmte zou kunnen lozen in de koudst mogelijke put — een zwart gat nabij de rand van het universum — zou zij een capaciteitsindex van 7,58 kunnen bereiken. Dit is een theoretische limiet, een uithoek op de kaart die geen enkele beschaving heeft bereikt en misschien ook nooit zal bereiken. Het vertegenwoordigt een machine die operaties uitvoert met de snelheid van het licht met de maximale energie-efficiëntie. De studie suggereert dat hoewel we momenteel ver van deze limiet verwijderd zijn, de weg vooruit duidelijk is: we moeten blijven inzoomen op onze apparaten en onze efficiëntie verbeteren, want simpelweg meer vermogen toevoegen zal niet genoeg zijn om de hoogste niveaus van capaciteit te bereiken.

Een van de meest opvallende bevindingen is dat de schaal van het object dat wordt gemanipuleerd de fundamentele energiekosten voor het wissen van een bit informatie niet verandert. Of je nu een schakelaar op een enorme machine omzet of de spin van een enkel atoomkern instelt, de minimale energie die vereist is, is hetzelfde als de begintoestand willekeurig is. Dit betekent dat het overgaan naar kleinere schalen een beschaving niet automatisch efficiënter maakt; het staat alleen voor dichtere opslag en snellere verwerking als de energiekosten per operatie ook worden verminderd. De auteur laat zien dat de mensheid hierin beter is geworden, maar we zijn nog lang niet op het punt waarop onze machines opereren op de absolute limiet van efficiëntie.

De studie verduidelijkt ook wat wel en niet mogelijk is. Het weerlegt het idee dat een beschaving een oneindig aantal operaties kan uitvoeren met een eindige hoeveelheid energie. Er is een harde stop, bepaald door de tweede wet van de thermodynamica. Zodra een beschaving het punt bereikt waarop zij werkt tegen de minimale energiekosten die de fysica toestaat, is de enige manier om meer werk te verrichten of meer energie te verkrijgen of een koudere plek te vinden om de warmte te lozen. De auteur suggereert dat als het universum in de verre toekomst blijft uitdijen en afkoelen, er nieuwe mogelijkheden kunnen ontstaan, maar voor nu worden de grenzen bepaald door de temperatuur van de kosmische achtergrondstraling.

Uiteindelijk biedt deze nieuwe schaal een manier om over de toekomst van technologie na te denken, niet alleen als een race om meer vermogen, maar als een reis naar grotere precisie. Het suggereert dat de meest geavanceerde beschavingen in het universum niet noodzakelijkerwijs degenen zijn met de grootste sterren, maar degenen die hebben geleerd om het meeste te doen met het minste. Door de maatstaf van energie te combineren met de maatstaf van efficiëntie, hebben de onderzoekers een nieuwe kaart geboden voor het begrijpen van waar we staan en waar we naartoe kunnen gaan. De reis van onze huidige machines naar de ultieme technologie is een lange, maar de weg is nu duidelijker, gedefinieerd door de tweeledige doelen van het verzamelen van meer energie en het gebruiken ervan met perfecte zorg.