Kardashev skala

Den här artikeln handlar om mätmetoden. För albumet av Greydon Square, se The Kardashev Scale (album) .

Energiförbrukning i tre typer av civilisation som definieras av Sagans utökade Kardashev-skala

Kardashevskalan ( ryska : Шкала Кардашева, Shkala Kardasheva ) är en metod för att mäta en civilisations nivå av tekniska framsteg baserat på mängden energi som den kan använda. Åtgärden föreslogs av den sovjetiske astronomen Nikolai Kardashev 1964 och kom att bära hans namn.

Skalan är hypotetisk och avser energiförbrukning i kosmisk skala. Olika utvidgningar av skalan har sedan dess föreslagits, inklusive ett bredare spektrum av effektnivåer (typ 0, IV till V) och användning av andra mätvärden än ren effekt (t.ex. beräkningstillväxt ) .

Kardashev beskrev först sin skala i ett dokument som presenterades vid Byurakan -konferensen 1964, ett vetenskapligt möte som granskade det sovjetiska radioastronomiska rymdlyssningsprogrammet. Denna artikel, med titeln "Передача информации внеземными цивилизациями" (och sedan översatt till engelska "Transmission of Information by Extraterrestrial Civilizations"), föreslår en klassificering av civilisationer i tre typer av exponentiella framsteg , baserat på postulaterad utveckling . En typ I-civilisation kan få tillgång till all energi som finns på sin planet och lagra den för konsumtion. En civilisation av typ II kan direkt konsumera energin från en stjärna . Slutligen kan en typ III-civilisation fånga all energi som sänds ut av sin galax . I en andra artikel, med titeln "Strategies of Searching for Extraterrestrial Intelligence" och publicerad 1980, undrar Kardashev över civilisationens förmåga, som han definierar genom dess förmåga att få tillgång till energi, att upprätthålla sig själv och att integrera information från sin omgivning. Två andra artiklar följde: "On the Inevitability and the Possible Structure of Supercivilizations" och "Cosmology and Civilizations", publicerade respektive 1985 och 1997; den sovjetiska astronomen föreslår spår för att upptäcka supercivilisationer och för att styra SETI-programmen.

Skalan som definierats av Kardashev har varit föremål för två huvudsakliga omvärderingar: den av Carl Sagan , som förfinar typerna, och den för Michio Kaku , som förkastar energipostulatet till förmån för kunskapsekonomin. Andra debatter om de olika typernas karaktär har gjort det möjligt för många författare att ifrågasätta Kardashevs ursprungliga klassificering, antingen för att komplettera den eller för att motbevisa den. Två kritiska perspektiv har alltså vuxit fram: ett som ifrågasätter Kardashevs postulat, bedömer dem som ofullständiga eller inkonsekventa, det andra som etablerar alternativa skalor. Kardashev-skalan har gett upphov till många scenarier som utforskar möjligheten till mer utvecklade civilisationer. Dessa scenarier ifrågasätter var och en på sitt sätt Kardashevs tre postulat som definierar en civilisation: energikällor , teknologi och överföring av interstellära meddelanden .

Ramverket för sökandet efter och upptäckt av avancerade civilisationer konstruerades och teoretiserades under konferensen som hölls 1964 i Armenien , vid Byurakans astrofysiska observatorium . Med utgångspunkt från en funktionell definition av civilisation, baserad på oföränderligheten av fysiska lagar och användande av den mänskliga civilisationen som en modell för extrapolering , utvecklades den initiala modellen av Kardashev. Flera vetenskapsmän har gjort olika sökningar efter möjliga civilisationer, men utan avgörande resultat. identifierades ovanliga föremål, nu kända för att vara antingen pulsarer eller kvasarer . Kardashev har i sina olika publikationer beskrivit en uppsättning lyssnings- och observationsparametrar som ska beaktas; dock anser vissa författare, särskilt Samouïl Aronovitch Kaplan och Guillermo A. Lemarchand , att dessa är otillräckliga och behöver kompletteras.

Kategorier definierade av Kardashev

Den hypotetiska klassificeringen känd som Kardashev-skalan särskiljer tre stadier av civilisationernas utveckling enligt det dubbla kriteriet för tillgång och användning av energi . Syftet med denna klassificering är att vägleda sökandet efter utomjordiska civilisationer, särskilt inom SETI , där Kardashev deltog, och detta under antagandet att en bråkdel av energin som används av varje typ är avsedd att kommunicera med andra civilisationer. För att göra denna skala mer begriplig jämför Lemarchand överföringshastigheten över galaxen för en informationsvolym som motsvarar ett medelstort bibliotek . En civilisation av typ II kan skicka dessa data med hjälp av en sändningsstråle som sänder ut i endast 100 sekunder. En liknande mängd information kan skickas över intergalaktiska avstånd på cirka tio miljoner ljusår, med en överföringstid på flera veckor. En typ III-civilisation kan överföra samma mängd data till hela det observerbara universum med en överföringstid på 3 sekunder.

Kardashevs klassificering är baserad på antagandet om en tillväxttakt på 1% per år. Kardashev trodde att det kommer att ta mänskligheten 3 200 år att nå typ II och 5 800 år att nå typ III. Dessa typer skiljs alltså från varandra med en tillväxttakt på flera miljarder.

Typ I

  En civilisation "nära den nivå som för närvarande uppnås på jorden, med energiförbrukning på ≈4 × 10 ¹⁹ erg /sek" (4 × 10 ¹² watt). En civilisation av typ I definieras vanligtvis som en som kan utnyttja all energi som når sin hemplanet från sin moderstjärna (för jorden är detta värde cirka 2 × 10 17 watt), vilket är ungefär fyra ^{storleksordningar} högre än mängden för närvarande uppnådd på jorden, med en energiförbrukning på ≈2 × 10 ¹³ watt från och med 2020. Astronomen Guillermo A. Lemarchand definierade typ I som en nivå nära den samtida marklevande civilisationen med en energikapacitet som motsvarar solinstrålningen på jorden, mellan 10 ¹⁶ och 10 ¹⁷ watt.

Typ II

  En civilisation som kan utnyttja energin som utstrålas av sin egen stora stjärna – till exempel genom att en Dyson-sfär eller Matrioshka-hjärna lyckas färdigställas – med energiförbrukning på ≈4 × 10 ³³ erg/sek. Lemarchand definierade civilisationer av denna typ som kapabla att använda och kanalisera hela strålningen från sin stjärna. Energianvändningen skulle då vara jämförbar med solens ljusstyrka, cirka 4 × 10 ³³ erg/sek (4 × 10 ²⁶ watt ).

Typ III

En civilisation i besittning av energi i skalan av sin egen galax , med energiförbrukning på ≈4 × 10 ⁴⁴ erg/sek. Lemarchand definierade civilisationer av denna typ som att ha tillgång till kraft jämförbar med ljusstyrkan i hela Vintergatans galax, cirka 4 × 10 ⁴⁴ erg/sek (4 × 10 ³⁷ watt).

Kardashev trodde att en typ 4-civilisation var omöjlig , så han gick inte förbi typ 3. Men nya typer (0, IV, V, VI) har föreslagits.

Den mänskliga civilisationens nuvarande status

Ytterligare information: Världens energiförsörjning och förbrukning

Total värld, årlig primär energiförbrukning.

Enligt astronomen Carl Sagan går mänskligheten för närvarande igenom en fas av teknisk tonåren, "typisk för en civilisation på väg att integrera typ I Kardashev-skalan."

För närvarande har mänskligheten ännu inte nått typ I-civilisationsstatus. Fysikern och framtidsforskaren Michio Kaku föreslog att om människor ökar sin energiförbrukning med i genomsnitt 3 procent varje år kan de uppnå typ I-status om 100–200 år, typ II-status om några tusen år och typ III-status i 100 000 till en miljon år.

Carl Sagan föreslog att man skulle definiera mellanvärden (som inte beaktas i Kardashevs ursprungliga skala) genom att interpolera och extrapolera de värden som anges ovan för typerna I (10 ¹⁶ W), II (10 ²⁶ W) och III (10 ³⁶ W), vilket skulle producera formeln

$K={\frac {\log _{10}P-6}{10}}$ ,

där värdet K är en civilisations Kardashev-betyg och P är den effekt den använder, i watt. Med hjälp av denna extrapolering skulle en " Typ 0 " civilisation, inte definierad av Kardashev, kontrollera cirka 1 MW effekt (t.ex. matkonsumtionen för cirka 10 000 personer), och mänsklighetens civilisationstyp från 1973 var cirka 0,7 (uppenbarligen med 10 terawatt ( TW) som värdet för 1970-talets mänsklighet).

var världens totala energiförbrukning 595,15 exajoule (165 319 TWh ), vilket motsvarar en genomsnittlig energiförbrukning på 18,87 TW eller 0,73 (till 2 sf ) på Sagans interpolerade Kardashev-skala.

Observationsbevis

2015 kom en studie av galaktiska mellaninfraröda utsläpp till slutsatsen att "Kardashev Type-III-civilisationer är antingen mycket sällsynta eller inte existerar i det lokala universum ".

2016 beskrev Paul Gilster, författare till webbplatsen Centauri Dreams, en signal som uppenbarligen från stjärnan HD 164595 kräver kraften hos en typ I- eller typ II-civilisation, om den produceras av utomjordiska livsformer. Men i augusti 2016 upptäcktes det att signalens ursprung troligen var en militärsatellit som kretsade runt jorden.

Energiutveckling

Se även: Energiutveckling

Typ I civilisationsmetoder

• Storskalig tillämpning av fusionskraft . Enligt mass-energiekvivalens innebär typ I omvandlingen av cirka 2 kg materia till energi per sekund. En ekvivalent energifrisättning skulle teoretiskt kunna uppnås genom att smälta samman cirka 280 kg väte till helium per sekund, en hastighet som ungefär motsvarar 8,9 × 10 ⁹ kg/år. En kubikkm vatten innehåller cirka 10 ¹¹ kg väte, och jordens hav innehåller cirka 1,3 × 10 ⁹ kubikkm vatten , vilket betyder att människor på jorden skulle kunna upprätthålla denna konsumtionshastighet över geologiska tidsskalor, i termer av tillgängligt väte .
•   Antimateria i stora mängder skulle ge en mekanism för att producera kraft i en skala flera storlekar över den nuvarande tekniknivån. omvandlas hela resten av partiklarna till strålningsenergi . Deras energitäthet (frigjord energi per massa) är ungefär fyra storleksordningar större än den från användning av kärnklyvning , och ungefär två storleksordningar större än det bästa möjliga utbytet från fusion . Reaktionen av 1 kg antimateria med 1 kg materia skulle producera 1,8 × 10 ¹⁷ J (180 petajoule ) energi. Även om antimateria ibland föreslås som en energikälla , förefaller detta inte genomförbart. Att artificiellt producera antimateria – enligt nuvarande förståelse av fysikens lagar – innebär att man först omvandlar energi till massa, vilket inte ger någon nettoenergi. Artificiellt skapad antimateria är endast användbar som ett medium för energilagring, inte som en energikälla, såvida inte framtida tekniska utvecklingar (i motsats till bevarandet av baryontalet, såsom en CP-överträdelse till förmån för antimateria) tillåter omvandling av vanlig materia till anti-materia. Teoretiskt sett kan människor i framtiden ha förmågan att odla och skörda ett antal naturligt förekommande källor till antimateria.
• Förnybar energi genom att omvandla solljus till elektricitet – antingen genom att använda solceller och koncentrera solenergi eller indirekt genom biobränsle , vindkraft och vattenkraft . Det finns inget känt sätt för den mänskliga civilisationen att använda motsvarande jordens totala absorberade solenergi utan att helt belägga ytan med mänskligt skapade strukturer, vilket inte är möjligt med nuvarande teknik. Men om en civilisation konstruerade mycket stora rymdbaserade solenergisatelliter, kan typ I-effektnivåer bli möjliga – dessa kan omvandla solljus till mikrovågskraft och stråla ut det till samlare på jorden.

Typ II civilisationsmetoder

Figur av en Dyson-svärm som omger en stjärna

Michio Kaku på Miami University event, 2020.

• Typ II-civilisationer kan använda samma teknik som används av en typ I-civilisation, men tillämpas på ett stort antal planeter i ett stort antal planetsystem.
• En Dyson-sfär eller Dyson-svärm och liknande konstruktioner är hypotetiska megastrukturer som ursprungligen beskrevs av Freeman Dyson som ett system av kretsande solenergisatelliter avsedda att omsluta en stjärna helt och fånga det mesta eller hela dess energiproduktion.
• Ett annat sätt att generera användbar energi skulle vara att mata in en stjärnmassa i ett svart hål och samla in fotoner som emitteras av ansamlingsskivan . Mindre exotiska medel skulle helt enkelt vara att fånga fotoner som redan flyr från ackretionsskivan, vilket minskar ett svart håls rörelsemängd ; detta är känt som Penrose-processen . Detta kan dock bara vara möjligt för en typ III-civilisation att uppnå.
• Stjärnlyftning är en process där en avancerad civilisation kan ta bort en betydande del av en stjärnas materia på ett kontrollerat sätt för andra ändamål.
• Antimateria kommer sannolikt att produceras som en industriell biprodukt av ett antal megaskaliga ingenjörsprocesser (som det tidigare nämnda stjärnlyftet) och kan därför återvinnas.
• I flerstjärniga system av ett tillräckligt stort antal stjärnor, absorberar en liten men betydande del av produktionen av varje enskild stjärna.
• Stjärnmotorer kan användas för att flytta stjärnor.

Typ III civilisationsmetoder

• Typ III-civilisationer kan använda samma teknik som används av en typ II-civilisation, men tillämpas på alla möjliga stjärnor i en eller flera galaxer individuellt.
• De kanske också kan utnyttja energin som frigörs från de supermassiva svarta hålen som tros existera i mitten av de flesta galaxer.
• Vita hål skulle teoretiskt kunna ge stora mängder energi från att samla upp materia som drivs utåt.
• Att fånga energin från gammastrålning är en annan teoretiskt möjlig kraftkälla för en mycket avancerad civilisation.
• Utsläppen från kvasarer är jämförbara med små aktiva galaxer och skulle kunna ge en massiv kraftkälla om de är samlade.

Civilisationskonsekvenser

Det finns många historiska exempel på mänsklig civilisation som genomgår storskaliga övergångar, som den industriella revolutionen . Övergången mellan Kardashevs skalanivåer skulle potentiellt kunna representera liknande dramatiska perioder av social omvälvning eftersom de innebär att man överskrider de hårda gränserna för de tillgängliga resurserna i en civilisations existerande territorium. En vanlig spekulation tyder på att övergången från typ 0 till typ I kan innebära en stark risk för självförstörelse eftersom det i vissa scenarier inte längre skulle finnas utrymme för ytterligare expansion på civilisationens hemplanet, som i en malthusiansk katastrof . Överdriven användning av energi utan adekvat värmeavledning, till exempel, skulle troligen kunna göra planeten i en civilisation som närmar sig typ I olämplig för biologin hos de dominerande livsformerna och deras födokällor. Om jorden är ett exempel, skulle havstemperaturer över 35 °C (95 °F) äventyra det marina livet och göra nedkylningen av däggdjur till temperaturer som är lämpliga för deras ämnesomsättning svår för att inte säga omöjlig. Naturligtvis kan dessa teoretiska spekulationer inte bli problem, möjligen genom tillämpningar av framtida ingenjörskonst och teknik . När en civilisation når typ I kan den också ha koloniserat andra planeter eller skapat kolonier av O'Neill-typ , så att spillvärme kunde distribueras genom planetsystemet.

Begränsningen av biologiska livsformer och utvecklingen av datorteknik kan leda till omvandlingen av civilisationen genom tankeuppladdning och artificiell allmän intelligens i allmänhet under övergången från typ I till typ II, vilket leder till en digitaliserad civilisation .

Tillägg till originalskalan

Många förlängningar och modifieringar av Kardashev-skalan har föreslagits.

• Typ 0, IV och V Kardashev-betyg: Den mest enkla utvidgningen av skalan skulle inkludera typ 0-civilisationer, som inte rankas på Kardashev-skalan, till ännu mer hypotetiska typ IV-varelser som kan kontrollera eller använda hela universum eller typ V som kontrollerar samlingar av universum. Effekten av det synliga universum ligger inom några storleksordningar av 10 ⁴⁵ W. En sådan civilisation närmar sig eller överskrider gränserna för spekulation baserat på nuvarande vetenskaplig förståelse och kanske inte är möjlig.
  • Zoltán Galántai har hävdat att en sådan civilisation inte kunde upptäckas, eftersom dess aktiviteter inte skulle kunna skiljas från naturens funktion (det finns inget att jämföra dem med).
  • I sina böcker Hyperspace och Parallel Worlds har Michio Kaku diskuterat en typ IV-civilisation som skulle kunna utnyttja "extragalactic" energikällor som mörk energi .

Kardashev alternativa betygsegenskaper

Andra föreslagna förändringar av skalan använder olika mätvärden som "behärskning" av system, mängd information som används eller framsteg i kontroll av de mycket små till skillnad från de mycket stora:

• Planetmästarskap (Robert Zubrin): Andra mätvärden än ren energianvändning har också föreslagits. Det ena är att "behärska" en planet, ett system eller en galax snarare än att betrakta energi ensam.
• Informationsbehärskning (Carl Sagan): Alternativt föreslog Carl Sagan att man skulle lägga till ytterligare en dimension utöver ren energianvändning: informationen tillgänglig för civilisationen.
  • Han tilldelade bokstaven A att representera 10 ⁶ unika bitar av information (mindre än någon registrerad mänsklig kultur) och varje efterföljande bokstav att representera en storleksordningsökning så att en civilisation på nivå Z skulle ha 10 ³¹ bitar.
  • I denna klassificering är 1973 jorden en 0,7 H civilisation, med tillgång till 10 ¹³ bitar av information. 2018 var jorden en civilisation på 0,73 J.
  • Sagan trodde att ingen civilisation ännu har nått nivå Z, och förmodade att så mycket unik information skulle överstiga den för alla intelligenta arter i en galaktisk superkluster och observerade att universum inte är tillräckligt gammalt för att effektivt utbyta information över större avstånd.
  • Informations- och energiaxlarna är inte strikt beroende av varandra så att inte ens en civilisation på nivå Z skulle behöva vara Kardashev Typ III.
• Mikrodimensionell behärskning (John Barrow): John D. Barrow observerade att människor har funnit det mer kostnadseffektivt att utöka sin förmåga att manipulera sin miljö över allt mindre skalor snarare än allt större. Han föreslår därför en omvänd klassificering nedåt från typ I-minus till typ Omega-minus:
  • Typ I-minus är kapabel att manipulera föremål över sin egen skala: bygga strukturer, bryta, sammanfoga och bryta fasta ämnen;
  • Typ II-minus är kapabel att manipulera gener och förändra utvecklingen av levande varelser, transplantera eller ersätta delar av sig själva, läsa och konstruera deras genetiska kod;
  • Typ III-minus kan manipulera molekyler och molekylära bindningar, skapa nya material;
  • Typ IV-minus är kapabel att manipulera enskilda atomer, skapa nanoteknik på atomär skala och skapa komplexa former av artificiellt liv;
  • Typ V-minus är kapabel att manipulera atomkärnan och konstruera de nukleoner som utgör den;
  • Typ VI-minus är kapabel att manipulera de mest elementära partiklarna av materia (kvarkar och leptoner) för att skapa organiserad komplexitet bland populationer av elementarpartiklar; kulminerar i:
  • Typ Omega-minus är kapabel att manipulera den grundläggande strukturen av rum och tid.
    

Den mänskliga civilisationen ligger någonstans mellan typ I-minus och typ II-minus enligt denna klassificering.

• Civilizational range (Robert Zubrin): Robert Zubrin anpassar Kardashev-skalan för att referera till hur utbredd en civilisation är i rymden, snarare än till dess energianvändning.
  • Enligt hans definition har en typ I-civilisation spridit sig över sin planet.
  • En typ II har omfattande kolonier i sitt respektive stjärnsystem.
  • En typ III har koloniserat sin galax.

Se även

• Astronomisk ingenjörskonst
• Clarkes tre lagar
• Drakes ekvation
• Dyson sfär
• Gerhard Lenski
• Bra filter
• HD 164595
• Storleksordningar (energi)
• Storleksordningar (kraft)
• Tabby's Star (KIC 8462852)
• Terraformning
• Whites lag
• Världens energiförsörjning och -förbrukning

Vidare läsning

• Dyson, Freeman J. Energy in the Universe Artikel i september 1971 Scientific American magazine (Special September Issue on Energy )
• Wind Powering America Arkiverad 2005-04-21 på Wayback Machine
• Clean Energy for Planetary Survival: International Development Research Center
• LBL Scientists Research Global Warming Arkiverad 2021-01-28 på Wayback Machine
• E³ Handbok
• Clarke H2 energisystem
• Holdren, John P.; Carl Kaysen (2003). "Miljöförändringar och det mänskliga tillståndet" (PDF) . Bulletin hösten . s. 24–31. Arkiverad från originalet (PDF) 2006-07-14 . Hämtad 2006-08-10 .
• Dordrecht, D. (1985). "Exponentiell expansion: galaktiskt öde eller teknisk hybris?". I BR Finney, MD Papagiannis (red.). Sökandet efter utomjordiskt liv: den senaste utvecklingen . Reidel Publ. Co s. 465–463.
• Shkadov Thruster Arkiverad 2021-01-26 på Wayback Machine
•   Korotayev, A.; Malkov, A.; Khaltourina, D. (2006). Introduktion till social makrodynamik: kompakta makromodeller av världssystemets tillväxt . Moskva: URSS. ISBN 978-5-484-00414-0 . Arkiverad från originalet 2018-01-05 . Hämtad 2006-06-22 .
•   Kardashev, Nikolai (mars 1997). "Kosmologi och civilisationer". Astrofysik och rymdvetenskap . 252 : 25–40. Bibcode : 1997Ap&SS.252...25K . doi : 10.1023/A:1000837427320 . S2CID 117792321 .
• Supercivilisationer som möjliga produkter av materiens progressiva utveckling : även av Kardashev
• Sök efter artificiella stellarkällor för infraröd strålning, av Freeman J. Dyson
• The Radio Search For Intelligent Extraterrestral Life , av Frank Drake
• Freitas Jr., Robert A. Energi och kultur (kapitel 15) .
•   Griffin, John (februari 2010). Operation TOGA: Typ One Go Ahead . ISBN 978-1-4502-0702-7 .

externa länkar

• Kardashev civilisationer
• Astrobiologi: Det levande universum
• Detekterbarhet av utomjordiska tekniska aktiviteter
• Flash-animation på civilisationer
• Efter Kardashev: Farväl till supercivilisationer
• Exotiska civilisationer: Beyond Kardashev
• Beskrivning av civilisationstyper från Dr. Michio Kaku
• Sök efter typ III civilisationer
• Hur ser utomjordiska civilisationer ut? Kardashev-skalan , en kort YouTube- video av Kurzgesagt , som förklarar och visualiserar ämnet
• Kardashev Scale, den stora bilden om rymdcivilisationer , en ljudpodcast av SciFi Thoughts