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

Para entender quão longe uma civilização poderia viajar, cientistas há muito observam dois tipos diferentes de réguas. Uma mede quanta energia uma sociedade pode captar e usar, desde o poder de uma única estrela até a produção total de uma galáxia inteira. A outra mede o quão pequeno uma sociedade pode tornar suas ferramentas, desde a construção de casas até a manipulação de átomos individuais. Por décadas, essas duas formas de medir o progresso foram mantidas separadas. Uma nos diz sobre o tamanho do tanque de combustível de uma civilização, enquanto a outra nos diz sobre a precisão de sua chave de fenda. Mas um novo estudo sugere que, para compreender verdadeiramente o potencial da vida inteligente, devemos combiná-las em uma escala única e unificada. Esta nova abordagem faz uma pergunta simples e fundamental: quantas vezes uma civilização consegue alterar o estado de uma única peça de matéria em um segundo?

Os pesquisadores, trabalhando em instituições que incluem o Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e o Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), propõem uma nova maneira de classificar civilizações com base em sua capacidade de realizar "operações de controle". Uma operação de controle é definida como pegar um minúsculo pedaço de matéria — como um átomo ou um interruptor — e forçá-lo a um estado específico, como ligar ou desligar, independentemente do que estivesse fazendo antes. Este é o ato básico de escrever informação ou construir algo. O estudo argumenta que a verdadeira medida do poder de uma civilização não é apenas quanta energia ela possui, mas o quão eficientemente ela pode usar essa energia para realizar esses pequenos atos de controle. Ao contar quantos desses operações uma sociedade pode realizar a cada segundo, o autor cria um número único que captura tanto a escala de sua energia quanto a precisão de sua tecnologia.

O estudo baseia-se em duas ideias famosas do passado. A primeira, conhecida como escala de Kardashev, classifica as civilizações pelo seu consumo total de energia. Uma civilização do Tipo I utiliza toda a energia que incide sobre seu planeta vinda de sua estrela. Uma do Tipo II controla a energia de sua própria estrela, e uma do Tipo III comanda a energia de toda a sua galáxia. A segunda ideia é a escala de Barrow, que classifica as civilizações pelo menor objeto que elas conseguem manipular. Uma civilização no topo desta escala pode construir cidades, enquanto uma mais abaixo pode manipular genes, depois moléculas, depois átomos e, finalmente, os núcleos dentro desses átomos. O novo artigo unifica estas ao calcular quantas vezes uma civilização pode resetar um bit de informação por segundo, dada a sua energia total e a menor escala que ela pode alcançar.

Os pesquisadores descobriram que, para qualquer civilização que irradie calor para o vazio frio do espaço, existe um limite físico rígido de quão eficientemente ela pode trabalhar. Esse limite é definido pela temperatura do próprio universo, que atualmente é de cerca de 2,7 graus acima do zero absoluto. Se uma civilização tenta apagar informação ou definir um bit de matéria, ela deve descartar o calor em algum lugar. Se esse calor for para o céu atual, a civilização não pode ser mais eficiente do que uma determinada linha de base. Isso significa que, para qualquer civilização que atualmente irradie calor para o espaço, sua capacidade total é limitada pela sua energia total. Quanto mais energia ela possui, mais operações ela pode realizar, mas ela não pode quebrar o teto de eficiência definido pela temperatura do universo.

Quando o autor aplicou esta escala à humanidade, descobriu que estamos atualmente em um nível de 0,73 na escala de energia, o que significa que usamos cerca de metade da energia de uma civilização de Tipo I completa. No entanto, nossa eficiência ainda está longe do limite teórico. O estudo mostra que a maior parte do nosso progresso no poder computacional no último século não veio de obter mais energia, mas de nos tornarmos muito melhores em usar a energia que temos. Desde 1950, a energia necessária para realizar uma única operação lógica caiu em mais de onze ordens de magnitude. Esse ganho massivo veio, em grande parte, de tornar os dispositivos menores e mais eficientes, em vez de construir usinas de energia maiores. O autor observa que, embora tenhamos dominado a manipulação de átomos e até de núcleos em laboratório, nossas máquinas cotidianas ainda desperdiçam uma quantidade tremenda de energia em comparação com o mínimo absoluto exigido pelas leis da física.

O artigo também analisa o que o futuro último pode reservar. Se uma civilização pudesse aproveitar a potência máxima permitida pelas leis da física e descartar seu calor residual no sumidouro mais frio possível — um buraco negro próximo à borda do universo — ela poderia atingir um índice de capacidade de 7,58. Este é um limite teórico, um canto do mapa que nenhuma civilização alcançou e talvez nunca alcançará. Representa uma máquina que realiza operações à velocidade da luz com a máxima eficiência energética. O estudo sugere que, embora estejamos atualmente longe deste limite, o caminho a seguir é claro: devemos continuar a encolher nossos dispositivos e melhorar nossa eficiência, porque simplesmente adicionar mais potência não será suficiente para alcançar os níveis mais altos de capacidade.

Uma das descobertas mais impressionantes é que a escala do objeto sendo manipulado não altera o custo energético fundamental de apagar um bit de informação. Quer você esteja acionando um interruptor em uma máquina gigante ou definindo o spin de um único núcleo atômico, a energia mínima necessária é a mesma se o estado inicial for aleatório. Isso significa que mover-se para escalas menores não torna automaticamente uma civilização mais eficiente; apenas permite armazenamento mais denso e processamento mais rápido se o custo energético por operação também for reduzido. O autor mostra que a humanidade tem melhorado nisso, mas ainda estamos longe do ponto em que nossas máquinas operam no limite absoluto de eficiência.

O estudo também esclarece o que é possível e o que não é. Ele descarta a ideia de que uma civilização possa realizar um número infinito de operações com uma quantidade finita de energia. Existe um limite intransponível, ditado pela segunda lei da termodinâmica. Uma vez que uma civilização atinge o ponto em que opera no custo de energia mínimo permitido pela física, a única maneira de realizar mais trabalho é obter mais energia ou encontrar um lugar mais frio para descartar seu calor. O autor sugere que, no futuro distante, se o universo continuar a se expandir e esfriar, novas oportunidades podem surgir, mas, por enquanto, os limites são definidos pela temperatura da radiação cósmica de fundo.

No fim, esta nova escala oferece uma maneira de pensar sobre o futuro da tecnologia não apenas como uma corrida por mais potência, mas como uma jornada em direção à maior precisão. Sugere que as civilizações mais avançadas do universo não são necessariamente aquelas com as maiores estrelas, mas aquelas que aprenderam a fazer o máximo com o mínimo. Ao combinar a medida de energia com a medida de eficiência, os pesquisadores forneceram um novo mapa para entender onde estamos e para onde podemos ir. A jornada de nossas máquinas atuais até a tecnologia definitiva é longa, mas o caminho agora está mais claro, definido pelos objetivos duplos de reunir mais energia e usá-la com cuidado perfeito.