Escala Kardashev

Consumo energético en tres tipos de civilización definida por la escala Kardashev extendida de Sagan

La escala Kardashev (en ruso: Шкала Кардашева, Shkala Kardasheva) es un método para medir el nivel de avance tecnológico de una civilización basado en la cantidad de energía es capaz de usar. La medida fue propuesta por el astrónomo soviético Nikolai Kardashev en 1964 y llegó a llevar su nombre.

La escala es hipotética y se refiere al consumo de energía a escala cósmica. Desde entonces, se han propuesto varias extensiones de la escala, incluida una gama más amplia de niveles de potencia (tipos 0, IV a V) y el uso de métricas distintas a la potencia pura (por ejemplo, crecimiento computacional).

Kardashev describió por primera vez su escala en un documento presentado en la conferencia de Byurakan de 1964, una reunión científica que revisó el programa de escucha espacial de la radioastronomía soviética. Este documento, titulado "Передача информации внеземными цивилизациями" (y luego traducido al inglés "Transmisión de información por civilizaciones extraterrestres"), propone una clasificación de civilizaciones en tres tipos, basada en el postulado de la progresión exponencial. Una civilización de tipo I es capaz de acceder a toda la energía disponible en su planeta y almacenarla para su consumo. Una civilización de tipo II puede consumir directamente la energía de una estrella. Finalmente, una civilización de tipo III es capaz de captar toda la energía emitida por su galaxia. En un segundo artículo, titulado "Estrategias de búsqueda de inteligencia extraterrestre" y publicado en 1980, Kardashev se pregunta por la capacidad de la civilización, que define por su capacidad de acceder a la energía, mantenerse e integrar información de su entorno. Siguieron otros dos artículos: "Sobre la inevitabilidad y la posible estructura de las supercivilizaciones" y 'Cosmología y Civilizaciones', publicados respectivamente en 1985 y 1997; el astrónomo soviético propone pistas para detectar supercivilizaciones y dirigir los programas SETI.

La escala definida por Kardashev ha sido objeto de dos reevaluaciones principales: la de Carl Sagan, que afina los tipos, y la de Michio Kaku, que descarta el postulado energético en favor de la economía del conocimiento. Otros debates sobre la naturaleza de los diferentes tipos han permitido a muchos autores cuestionar la clasificación original de Kardashev, ya sea para completarla o para refutarla. Surgen así dos perspectivas críticas: una que cuestiona los postulados de Kardashev, juzgándolos incompletos o inconsistentes, y otra que establece baremos alternativos. La escala de Kardashev ha dado lugar a numerosos escenarios que exploran la posibilidad de civilizaciones más evolucionadas. Estos escenarios cuestionan, cada uno a su manera, los tres postulados de Kardashev que definen una civilización: las fuentes de energía, la tecnología y la transmisión de mensajes interestelares.

El marco para la búsqueda y detección de civilizaciones avanzadas se construyó y teorizó durante la conferencia celebrada en 1964 en Armenia, en el observatorio astrofísico de Byurakan. Partiendo de una definición funcional de civilización, basada en la inmutabilidad de las leyes físicas y utilizando la civilización humana como modelo de extrapolación, se desarrolló el modelo inicial de Kardashev. Varios científicos han realizado diversas búsquedas de posibles civilizaciones, pero sin resultados concluyentes. Con base en estos criterios, se identificaron objetos inusuales, ahora conocidos como púlsares o cuásares. Kardashev ha descrito en sus diversas publicaciones un conjunto de parámetros de escucha y observación a tener en cuenta; sin embargo, algunos autores, en particular Samouïl Aronovitch Kaplan y Guillermo A. Lemarchand, considera que estos son insuficientes y deben completarse.

Categorías definidas por Kardashev

La clasificación hipotética conocida como escala de Kardashev distingue tres etapas de evolución de las civilizaciones según el doble criterio del acceso y el uso de la energía. El propósito de esta clasificación es guiar la búsqueda de civilizaciones extraterrestres, particularmente dentro de SETI, en el que participó Kardashev, y esto bajo el supuesto de que una fracción de la energía utilizada por cada tipo está destinada a comunicarse con otras civilizaciones. Para hacer más comprensible esta escala, Lemarchand compara la velocidad de transmisión a través de la galaxia de un volumen de información equivalente a una biblioteca de tamaño medio. Una civilización de tipo II puede enviar estos datos mediante un haz de transmisión que emite durante solo 100 segundos. Se puede enviar una cantidad similar de información a través de distancias intergalácticas de unos diez millones de años luz, con un tiempo de transmisión de varias semanas. Una civilización de tipo III puede transmitir esta misma cantidad de datos a todo el universo observable con un tiempo de transmisión de 3 segundos.

La clasificación de Kardashev se basa en el supuesto de una tasa de crecimiento del 1 % anual. Kardashev creía que la humanidad tardaría 3.200 años en alcanzar el Tipo II y 5.800 años en llegar al Tipo III. Estos tipos están separados unos de otros por una tasa de crecimiento de varios miles de millones.

Tipo I

Una civilización "cerca del nivel alcanzado actualmente en la Tierra, con un consumo de energía de ≈4×10¹⁹ erg/seg" (4×10¹² vatios). Una civilización Tipo I generalmente se define como aquella que puede aprovechar toda la energía que llega a su planeta de origen desde su estrella madre (para la Tierra, este valor es de alrededor de 2×10¹⁷ vatios), que es aproximadamente cuatro órdenes de magnitud superior que la cantidad alcanzada actualmente en la Tierra, con un consumo de energía de ≈2×10¹³ vatios a partir de 2020. El astrónomo Guillermo A. Lemarchand definió el Tipo I como un nivel cercano a la civilización terrestre contemporánea con una capacidad energética equivalente a la insolación solar en la Tierra, entre 10¹⁶ y 10¹⁷ vatios.

Tipo II

Una civilización capaz de aprovechar la energía radiada por su propia gran estrella, por ejemplo, mediante la finalización exitosa de una esfera Dyson o un cerebro Matrioshka, con un consumo de energía de ≈4×10³³ erg/seg. Lemarchand definió civilizaciones de este tipo como capaces de utilizar y canalizar toda la emisión de radiación de su estrella. Entonces, el uso de energía sería comparable a la luminosidad del Sol, aproximadamente 4×10³³ erg/seg (4×10²⁶ vatios).

Tipo III

Una civilización en posesión de energía a la escala de su propia galaxia, con un consumo de energía de ≈4×10⁴⁴ erg/seg. Lemarchand definió que las civilizaciones de este tipo tienen acceso a un poder comparable a la luminosidad de toda la Vía Láctea, aproximadamente 4×10⁴⁴ erg/seg (4×10³⁷ vatios).

Kardashev creía que una civilización de Tipo 4 era imposible, por lo que no pasó del Tipo 3. Sin embargo, se han propuesto nuevos tipos (0, IV, V, VI).

Estado actual de la civilización humana

Total World, Annual Primary Energy Consumption.

Según el astrónomo Carl Sagan, la humanidad está pasando por una fase de adolescencia técnica, "típica de una civilización a punto de integrar la escala de Kardashev tipo I".

En este momento, la humanidad aún no ha alcanzado el estado de civilización Tipo I. El físico y futurista Michio Kaku sugirió que, si los humanos aumentan su consumo de energía a una tasa promedio del 3 por ciento cada año, pueden alcanzar el estado Tipo I en 100 a 200 años, el estado Tipo II en unos pocos miles de años y el estado Tipo III en 100.000 a un millón de años.

Carl Sagan sugirió definir valores intermedios (no considerados en la escala original de Kardashev) interpolando y extrapolando los valores dados anteriormente para los tipos I (10¹⁶ W), II (10²⁶ W) y III (10³⁶ W), lo que produciría la fórmula

K=log10⁡ ⁡ P− − 610{displaystyle K={frac {log _{10}P-6}{10}},

donde el valor K es la calificación Kardashev de una civilización y P es la potencia que utiliza, en vatios. Usando esta extrapolación, un "Tipo 0" La civilización, no definida por Kardashev, controlaría aproximadamente 1 MW de potencia (por ejemplo, el consumo de alimentos de unas 10 000 personas), y el tipo de civilización de la humanidad en 1973 era de aproximadamente 0,7 (aparentemente usando 10 teravatios (TW) como valor para la humanidad de la década de 1970).

En 2021, el consumo mundial total de energía fue de 595,15 exajulios (165 319 TWh), equivalente a un consumo de energía promedio de 18,87 TW o 0,73 (a 2 pies cuadrados) en la escala Kardashev interpolada de Sagan.

Evidencia observacional

En 2015, un estudio de las emisiones galácticas del infrarrojo medio llegó a la conclusión de que "las civilizaciones de Kardashev tipo III son muy raras o no existen en el universo local".

En 2016, Paul Gilster, autor del sitio web Centauri Dreams, describió una señal aparentemente de la estrella HD 164595 que requería el poder de una civilización Tipo I o Tipo II, si es producida por formas de vida extraterrestres. Sin embargo, en agosto de 2016 se descubrió que el origen de la señal probablemente era un satélite militar que orbitaba la Tierra.

Desarrollo energético

Métodos de civilización tipo I

• Aplicación a gran escala de energía de fusión. Según la equivalencia entre masa y energía, el tipo I implica la conversión de aproximadamente 2 kg de materia a energía por segundo. Teóricamente se podría lograr una liberación de energía equivalente fusionando aproximadamente 280 kg de hidrógeno en helio por segundo, una tasa aproximadamente equivalente a 8.9×10⁹kg/año. Un km cúbico de agua contiene alrededor de 10¹¹kg de hidrógeno, y los océanos de la Tierra contienen alrededor de 1.3×109 km cúbicos de agua, lo que significa que los humanos en la Tierra podrían mantener esta tasa de consumo sobre escalas de tiempo geológicas, en términos de hidrógeno disponible.
• Antimateria en grandes cantidades proporcionaría un mecanismo para producir energía a escala varias magnitudes por encima del nivel actual de la tecnología. En las colisiones antimateria, toda la masa de reposo de las partículas se convierte en energía radiante. Su densidad energética (energía liberada por masa) es alrededor de cuatro órdenes de magnitud mayor que la del uso de la fisión nuclear, y alrededor de dos órdenes de magnitud mayor que el mejor rendimiento posible de la fusión. La reacción de 1 kg de antimateria con 1 kg de materia produciría 1.8×10¹⁷J (180 petajoules) de energía. Aunque a veces se propone la antimateria como fuente de energía, esto no parece factible. La producción de antimateria artificial, según la comprensión actual de las leyes de la física, implica la primera conversión de energía en masa, que no produce energía neta. El antimateria creado artificialmente sólo es utilizable como medio de almacenamiento de energía, no como fuente de energía, a menos que los futuros desarrollos tecnológicos (contrario a la conservación del número de baryon, como una violación de PC a favor de la antimateria) permitan la conversión de la materia ordinaria en antimateria. Teóricamente, los humanos pueden en el futuro tener la capacidad de cultivar y cosechar una serie de fuentes naturales de antimateria.
• Energía renovable mediante la conversión de la luz solar en electricidad, ya sea mediante el uso de células solares y la concentración de energía solar o indirectamente a través del biocombustible, el viento y la energía hidroeléctrica. No hay manera conocida de que la civilización humana utilice el equivalente de la energía solar absorbida total de la Tierra sin cubrir completamente la superficie con estructuras humanas, que no es factible con la tecnología actual. Sin embargo, si una civilización construyó satélites de energía solar muy grandes basados en el espacio, los niveles de energía de Tipo I podrían llegar a ser alcanzables, esto podría convertir la luz solar a la energía de microondas y el haz que a los coleccionistas en la Tierra.

Métodos de civilización tipo II

Figura de un enjambre de Dyson alrededor de una estrella

Michio Kaku en el evento de la Universidad de Miami, 2020.

• Las civilizaciones tipo II podrían utilizar las mismas técnicas empleadas por una civilización tipo I, pero aplicadas a un gran número de planetas en un gran número de sistemas planetarios.
• Una esfera Dyson o los enjambres Dyson y construcciones similares son megaestructuras hipotéticas descritas originalmente por Freeman Dyson como un sistema de órbita de satélites de energía solar destinado a encerrar una estrella por completo y capturar la mayoría o toda su producción de energía.
• Otro medio para generar energía utilizable sería alimentar una masa estelar en un agujero negro, y recoger fotones emitidos por el disco de acreción. Menos medios exóticos sería simplemente capturar fotones que ya escapan del disco de acreción, reduciendo el impulso angular de un agujero negro; esto se conoce como el proceso de Penrose. Sin embargo, esto sólo puede ser posible para que una civilización Tipo III logre.
• El levantamiento de estrellas es un proceso donde una civilización avanzada podría eliminar una parte sustancial de la materia de una estrella de una manera controlada para otros usos.
• Es probable que el antimateria se produzca como subproducto industrial de varios procesos de ingeniería a gran escala (como el levantamiento de estrellas antes mencionado) y, por lo tanto, podría ser reciclado.
• En sistemas de estrellas múltiples de un número suficientemente grande de estrellas, absorbiendo una pequeña pero significativa fracción de la salida de cada estrella individual.
• Los motores estelares se pueden utilizar para mover estrellas.

Métodos de civilización tipo III

• Las civilizaciones tipo III podrían utilizar las mismas técnicas empleadas por una civilización tipo II, pero aplicadas a todas las posibles estrellas de una o más galaxias individualmente.
• También pueden aprovechar la energía liberada de los agujeros negros supermasivos que se cree que existen en el centro de la mayoría de las galaxias.
• Los agujeros blancos teóricamente podrían proporcionar grandes cantidades de energía de recoger la materia que impulsa hacia fuera.
• Capturar la energía de las ráfagas de rayos gamma es otra fuente de poder teóricamente posible para una civilización altamente avanzada.
• Las emisiones de los quasars son comparables a las pequeñas galaxias activas y pueden proporcionar una fuente de energía masiva si es coleccionable.

Implicaciones de la civilización

Hay muchos ejemplos históricos de civilizaciones humanas atravesando transiciones a gran escala, como la Revolución Industrial. La transición entre los niveles de la escala de Kardashev podría representar potencialmente períodos igualmente dramáticos de agitación social, ya que implican superar los límites estrictos de los recursos disponibles en el territorio existente de una civilización. Una especulación común sugiere que la transición del Tipo 0 al Tipo I podría conllevar un fuerte riesgo de autodestrucción ya que, en algunos escenarios, ya no habría espacio para una mayor expansión en el planeta de origen de la civilización, como en un catástrofe maltusiana. El uso excesivo de energía sin una eliminación adecuada del calor, por ejemplo, podría hacer plausiblemente que el planeta de una civilización que se acerca al Tipo I no sea adecuado para la biología de las formas de vida dominantes y sus fuentes de alimento. Si la Tierra es un ejemplo, entonces las temperaturas del mar superiores a 35 °C (95 °F) pondrían en peligro la vida marina y harían que el enfriamiento de los mamíferos a temperaturas adecuadas para su metabolismo fuera difícil, si no imposible. Por supuesto, estas especulaciones teóricas pueden no convertirse en problemas, posiblemente a través de las aplicaciones de la ingeniería y la tecnología futuras. Además, cuando una civilización alcanza el Tipo I, puede haber colonizado otros planetas o creado colonias de tipo O'Neill, de modo que el calor residual podría distribuirse por todo el sistema planetario.

La limitación de las formas de vida biológicas y la evolución de la tecnología informática pueden conducir a la transformación de la civilización a través de la carga mental y la inteligencia general artificial en general durante la transición del Tipo I al Tipo II, lo que lleva a una civilización digitalizada.

Extensiones a la escala original

Se han propuesto muchas extensiones y modificaciones a la escala de Kardashev.

• Tipos 0, IV y V Clasificación Kardashev: La extensión más directa de la escala incluiría civilizaciones Tipo 0, que no se clasifican en la escala Kardashev, a seres más hipotéticos Tipo IV que pueden controlar o utilizar todo el universo o Tipo V que controlan colecciones de universos. La potencia del universo visible está dentro de unas pocas órdenes de magnitud de 10⁴⁵W. Tal civilización se acerca o sobrepasa los límites de la especulación basada en la comprensión científica actual y puede que no sea posible.
  • Zoltán Galántai ha argumentado que tal civilización no podía ser detectada, ya que sus actividades serían indistinguibles de los trabajos de la naturaleza (no había nada que compararlas).
  • En sus libros Hyperspace y Mundos paralelosMichio Kaku ha discutido Tipo IV de civilización que podría aprovechar fuentes de energía "extragalácticas", como energía oscura.

Características de clasificación alternativa de Kardashev

Otros cambios propuestos a la escala usan diferentes métricas como 'dominio' de sistemas, cantidad de información utilizada o progreso en el control de los muy pequeños frente a los muy grandes:

• Planeta mastery (Robert Zubrin): También se han propuesto métricas distintas del uso puro de energía. Uno es 'maestría' de un planeta, sistema o galaxia en lugar de considerar la energía sola.
• Dominio de información (Carl Sagan): Como alternativa, Carl Sagan sugirió agregar otra dimensión además del uso de energía pura: la información disponible para la civilización.
  • He assigned the letter A to represent 10⁶ bits únicos de información (menos que cualquier cultura humana registrada) y cada carta sucesiva para representar un orden de magnitud aumento de modo que una civilización Z nivel tendría 10³¹ bits.
  • En esta clasificación, 1973 la Tierra es una civilización de 0,7 H, con acceso a 10¹³ bits de información. En 2018, la Tierra era una civilización de 0,73 J.
  • Sagan creía que ninguna civilización todavía ha alcanzado el nivel Z, conjeturando que tanta información única superaría la de todas las especies inteligentes en un supercluster galáctico y observando que el universo no es lo suficientemente viejo como para intercambiar información eficazmente sobre distancias más grandes.
  • Los ejes de información y energía no son estrictamente interdependientes para que incluso una civilización Z nivel no necesita ser Kardashev Tipo III.
• Mastería microdimensional (John Barrow): John D. Barrow observó que los humanos han encontrado que es más rentable ampliar sus capacidades para manipular su entorno a escalas cada vez más pequeñas y no más grandes. Por lo tanto, propone una clasificación inversa descendente de Tipo I-minus a Tipo Omega-minus:
  • Tipo I-minus es capaz de manipular objetos sobre la escala de ellos mismos: construcción de estructuras, minería, unión y ruptura de sólidos;
  • Tipo II-minus es capaz de manipular los genes y alterar el desarrollo de las cosas vivientes, transplantar o reemplazar partes de sí mismos, leer e ingeniería su código genético;
  • Tipo III-minus es capaz de manipular moléculas y vínculos moleculares, creando nuevos materiales;
  • Tipo IV-menos es capaz de manipular los átomos individuales, crear nanotecnologías a escala atómica y crear formas complejas de vida artificial;
  • Tipo V-minus es capaz de manipular el núcleo atómico e ingeniería los núcleos que lo componen;
  • Tipo VI-menos es capaz de manipular las partículas más elementales de la materia (quarks y leptons) para crear complejidad organizada entre poblaciones de partículas elementales; culminando en:
  • Tipo Omega-menos es capaz de manipular la estructura básica del espacio y del tiempo.
    

La civilización humana está entre el tipo I-minus y el tipo II-minus según esta clasificación.

• Alcance civilizado (Robert Zubrin): Robert Zubrin adapta la escala Kardashev para referirse a la amplitud de una civilización en el espacio, en lugar de su uso energético.
  • En su definición, una civilización Tipo I se diseminó a través de su planeta.
  • Un tipo II tiene extensas colonias en su sistema estelar respectivo.
  • Un tipo III ha colonizado su galaxia.