A technological capability scale for civilizations from the Kardashev and Barrow scales
本文提出了一种统一的技术能力度量尺度，其定义为卡尔达舍夫能量指数与巴罗效率指数之和，该尺度通过文明每秒控制的操作量对其进行排名，并从当前人类的能力水平延伸至一种理论上的终极技术，即能够向德西特空间中的黑洞耗散最大可能功率的技术。
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为了了解一个文明可能走多远，科学家们长期以来一直在观察两个不同的度量标准。一个衡量一个社会能够获取并利用多少能量，从单颗恒星的力量到整个星系的输出；另一个则衡量一个社会能将其工具做得多么微小，从建造房屋到操纵单个原子。几十年来，这两种衡量进步的方式一直处于分离状态。一个告诉我们一个文明的“油箱”有多大，而另一个则告诉我们其“扳手”有多精准。但一项新的研究表明，要真正理解智慧生命的潜力，我们必须将它们结合成一个统一的尺度。这种新方法提出了一个简单且根本的问题：一个文明在一秒钟内可以改变多少次单件物质的状态？
来自包括麻省理工学院和加州理工学院在内的机构的研究人员提出了一种新的方法，根据文明执行“控制操作”的能力来对其进行排名。控制操作被定义为获取一小块物质（如一个原子或一个开关），并强制其进入特定状态（例如将其开启或关闭），而不论其之前的状态如何。这是编写信息或建造物品的基本行为。研究认为，衡量一个文明力量的真正标准不仅在于它拥有多少能量，还在于它能多高效地利用这些能量来执行这些微小的控制行为。通过计算一个社会每秒钟可以执行多少次此类操作，作者创造了一个单一的数字，既捕捉了其能量的规模，也捕捉了其技术的精度。
这项研究建立在两个著名的思想之上。第一个被称为卡尔达舍夫等级（Kardashev scale），根据文明的总能量消耗进行排名。I型文明使用其行星接收到的全部恒星能量；II型文明控制其整个恒星的能量；III型文明则掌控其整个星系的能量。第二个是巴罗等级（Barrow scale），根据文明能操纵的最微小尺度进行排名。处于该等级顶端的文明可能会建造城市，而处于更低层级的文明可能会操纵基因、分子、原子，最后是原子内部的原子核。新论文通过计算在给定总能量和可达到的最小尺度的情况下，一个文明每秒钟能重置多少比特的信息，将两者统一了起来。
研究人员发现，对于任何向寒冷的太空辐射热量的文明来说，其工作的效率都存在一个物理极限。这个极限由宇宙本身的温度决定，目前约为绝对零度之上2.7度。如果一个文明试图擦除信息或设定物质状态，它必须将热量排放到某处。如果这些热量排入当前的星空，那么该文明的效能将受限于一个特定的基准。这意味着，对于任何目前向太空辐射热量的文明，其总能力都受限于其总能量。它拥有的能量越多，它能执行的操作就越多，但它无法突破由宇宙温度设定的效率天花板。
当作者将这一尺度应用于人类时，发现我们目前处于能量等级的0.73水平，这意味着我们使用的能量大约是完整I型文明的一半。然而，我们的效率离理论极限还很远。研究表明，在过去一个世纪里，我们计算能力的进步主要并非来自于获取更多能量，而是来自于更高效地利用现有能量。自1950年以来，执行单次逻辑操作所需的能量下降了超过十个数量级。这种巨大的增益很大程度上来自于使设备变得更小、更高效，而不是通过建造更大的发电厂。作者指出，虽然我们在实验室中已经掌握了对原子甚至原子核的操纵，但我们的日常机器在能量利用上与物理定律允许的绝对最小值相比，仍然浪费了大量的能量。
论文还探讨了未来的终极前景。如果一个文明能够利用物理定律允许的最大功率，并将废热排放到最冷的汇点——即靠近宇宙边缘的黑洞——它可能达到7.58的容量指数。这是一个理论极限，是一个没有任何文明达到过、甚至可能永远无法达到的领域。它代表着一台以光速执行操作并具有最大可能能量效率的机器。研究表明，虽然我们目前远离这个极限，但前进的道路是清晰的：我们必须继续缩小设备尺寸并提高效率，因为仅仅增加功率不足以达到最高水平的效能。
其中一个最引人注目的发现是，被操纵对象的规模并不会改变擦除一个比特信息的根本能量成本。无论你是拨动一台巨型机器上的开关，还是设定单个原子核的自旋，如果起始状态是随机的，所需的最小能量都是相同的。这意味着，转向更小的尺度并不自动意味着文明会变得更高效；只有当单次操作的能量成本也随之降低时，它才允许实现更密集的存储和更快速的处理。作者展示了人类一直在朝这个方向改进，但我们距离机器运行在绝对效率极限的程度仍有很大差距。
该研究还阐明了什么是可能的，什么是不可能的。它排除了这样一个观点，即一个文明可以用有限的能量执行无限次的运算。由于热力学第二定律的存在，存在一个硬性的停止点。一旦一个文明达到了物理定律允许的最小能量成本运行点，那么实现更多工作的唯一途径就是获取更多能量，或者找到一个更冷的地方来排放热量。作者建议，如果在遥远的未来，随着宇宙持续膨胀和冷却，可能会出现新的机遇，但目前，限制是由宇宙微波背景辐射的温度设定的。
最后，这一新尺度提供了一种看待技术未来的方式，即技术不仅仅是一场关于更多能量的竞赛，更是一场迈向更高精度的旅程。它表明，宇宙中最先进的文明不一定是指那些拥有最大恒星的文明，而是指那些学会了如何用最少的投入做最多的事情的文明。通过将能量的度量与效率的度量相结合，研究人员提供了一张理解我们现状以及未来走向的新地图。从我们目前的机器到终极技术的旅程是漫长的，但路径现在已变得清晰，由收集更多能量和完美利用能量这两个目标所定义。
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