Вселенная из антиматерии часть 9

Шкала Кардашёва

Шкала Кардашёва — метод измерения технологического развития цивилизации, основанный на количестве энергии, которое цивилизация может использовать для своих нужд; был предложен советским радиоастрономом Николаем Кардашёвым в работе «Передача информации внеземными цивилизациями»[1], опубликованной в «Астрономическом журнале[англ.]» СССР в 1964 году.
 Три схематических изображения: Земля, Солнечная система и Млечный путь. Потребление энергии оценивается в трёх типах цивилизаций, определённых по шкале Кардашёва
Шкала определяет три категории, называемых соответственно тип I, II и III: цивилизация I типа использует все доступные энергетические ресурсы, имеющиеся на своей родной планете; цивилизация II типа использует всю энергию своей звезды; III типа — своей галактики.
Шкала является гипотетической и, с точки зрения современной науки, крайне спекулятивной. Вместе с тем, она отражает энергопотребление цивилизации в космической перспективе. Шкала использовалась для поиска астрономами цивилизаций в соседних галактиках.
Предложены также расширения шкалы до ещё более гипотетических цивилизаций типа IV, способных использовать ресурсы целой вселенной, и типа V, управляющих произвольным множеством вселенных (мультиверсумом). Также было предложено дополнить количественный критерий энергопотребления такими качественными показателями, как, например, «владение в совершенстве» планетой, системой или галактикой (достижение полного контроля над происходящими в них процессами), либо же (дополнение классификации Карлом Саганом) рассматривать помимо количества утилизируемой энергии количество контролируемой цивилизацией информации.
Описание типов
Тип 1
Цивилизация, энергопотребление которой сравнимо с мощностью, получаемой планетой от центральной звезды и энергетических источников самой планеты. Для Земли полная энергия, получаемая от Солнца, составляет 1,74·1017 Вт. Обычно в качестве оценки энергопотребления для цивилизации типа I берётся диапазон 1016—1017 Вт. (В оригинальной статье Кардашёва для цивилизации типа I был предложен значительно меньший уровень, равный текущему потреблению энергии человечеством и составлявший на тот момент ;4·1019 эрг/с = 4·1012 Вт[1].)
Тип 2
Цивилизация, энергопотребление которой сравнимо с мощностью (светимостью) центральной звезды планетной системы. Для Солнца оценка энергопотребления составляет L; = 3,828·1026 Вт. Одна из гипотетических форм цивилизации второго типа — цивилизация, построившая сферу Дайсона вокруг своей звезды (также возможно строительство других астроинженерных сооружений). Другой вариант — цивилизация освоившая несколько планетных систем вокруг своей родной планетной системы.
Тип 3
Цивилизация, энергопотребление которой сравнимо с мощностью галактики. Оценка светимости для нашей галактики Млечный Путь составляет 2·1010 солнечных светимостей или примерно 8·1036 Вт (в оригинале у Кардашёва 4·1037 Вт[1]).
Не входящий в теорию тип 4
Цивилизация, энергопотребление которой сравнимо с мощностью всей вселенной. Оценка энергопотребления — 1049—1050 Вт.
Текущее состояние человеческой цивилизации
Рост общего энергопотребления человечеством
Человеческая цивилизация в настоящее время ещё не достигла типа I, так как способна использовать только часть энергии, которая имеется на Земле. Текущее состояние человеческой цивилизации, таким образом, можно назвать типом 0. Оригинальная версия шкалы Кардашёва не предусматривала промежуточных значений, однако Карл Саган предложил интерполяцией и экстраполяцией расширить применимость шкалы, превратив её из ранговой в абсолютную.
Саган использовал следующую формулу[2] :

где К — рейтинг цивилизации, P — её энергопотребление в ваттах.
По состоянию на 2010 год значение по шкале Кардашёва, рассчитанное по формуле Сагана, составляет примерно 0,72. Это значение соответствует тому, что человечество использует около 0,16 % от общего объёма энергетического бюджета планеты (1016 Вт).
Год Производство энергии Значение
по шкале Кардашёва
эксаджоулей/год
P, ТВт тонн нефтяного эквивалента/год

1900 21 0,67 500 000 000 0,58
1970 190 6,0 4 500 000 000 0,67
1985 290 9,2 6 900 000 000 0,69
1995 360 12 8 700 000 000 0,70
2000 420 13 10 000 000 000 0,71
2010 510 16 12 100 000 000 0,72
2030 (прогноз) 680 22 16 300 000 000 0,73
Более детальные сведения о текущем энергопотреблении человечества можно найти в статье «Мировое потребление энергии».
Шкала Каутца
Переработанная шкала, включающая новые типы, предложенная писателем-фантастом Хельге Каутцем[нем.]:
• Цивилизация 0 типа. Цивилизации 0 типа являются пред-индустриальными или, в лучшем случае, цивилизациями на первом этапе космической экспансии. Данный тип использует большую часть доступных энергетических ресурсов планеты. Наиболее близким аналогом будет человечество в начале XXI века. Возможно, многие цивилизации этого типа самоуничтожаются в процессе перехода на новый уровень развития.
• Цивилизация I типа. Планетарная цивилизация использует ресурсы своей планеты полностью. Планеты её звёздной системы колонизируются, становясь частью ресурсной базы. Очень часто данный этап становится для цивилизации ловушкой. Она входит в состояние самодостаточности, направляя ресурсы на виртуальное развитие, вместо дальнейшей экспансии. Многие цивилизации данного типа прекращают своё существование вследствие катастрофических изменений родной звезды — например, превращения её в новую или сверхновую звезду.
• Цивилизация II типа. Такие цивилизации очень редки. Как правило, они существуют уже минимум несколько тысяч лет. Они используют всю доступную энергию их звёздной системы и уже смогли осуществить межзвёздные путешествия и колонизацию планет в других звёздных системах. Цивилизации II типа пережили свою юность, преодолели неспокойное время. В этой точке резко возрастают шансы продолжить своё развитие.
• Цивилизация III типа. Определяется как цивилизация, которая способна использовать энергию всей галактики. Такие цивилизации существуют минимум несколько миллионов лет. Они редко встречаются даже на вселенском масштабе. Даже по чрезмерно либеральной оценке их число во всех известных галактических кластерах не будет превышать сотни. Этот уровень практически считается недостижимым для одного разумного вида. Чтобы достичь такого уровня развития, требуется объединение в единое целое многих видов разумных существ. Пример — Галактическая Империя (или Республика) из «Звёздных войн».
• Цивилизация IV типа. Данный тип цивилизации может использовать весь объём доступной энергии галактических сверхскоплений.
• Цивилизация V типа. Цивилизация, получившая доступ ко всей доступной энергии Вселенной.
o Цивилизация Vb типа. Такая цивилизация будет способна изменять некоторые аспекты физики Вселенной.
• Цивилизация VI типа. В настоящее время пока полностью гипотетическая цивилизация, которая может использовать энергию нескольких вселенных, изменять их физику и даже предотвратить тепловую смерть родной вселенной, чтобы существовать вечно[источник не указан 3730 дней].
Критика
Утверждалось, что, поскольку мы не можем понять развитые цивилизации, то мы и не можем предсказать их поведение. Таким образом шкала Кардашёва, возможно, не будет отражать то, что реально происходит с передовой цивилизацией. Этот аргумент был, в частности, представлен в книге об астробиологии «Evolving the Alien: The Science of Extraterrestrial Life[англ.]» за авторством учёного-биолога Джека Коэна[англ.] и математика Иэна Стюарта.
Также шкала Кардашёва, связывая уровень цивилизации с энергией, которую она способна использовать, де-факто является общим количественным макроэкономическим показателем цивилизации, не учитывающим качественный (в частности, технологический) уровень развития цивилизации. Например, возможен казус, когда цивилизация по количественному объему энергопотребления будет попадать в тип I или II, но при этом качественно соответствовать типу III.
Интересный факт
В юбилейном издании «Наука и техника СССР в 1917—1987. Хроника» классификация Кардашёва указана как одно из важнейших достижений советской науки в 1964 году[3].
Сфера Дайсона

Оболочка Дайсона (англ. Dyson shell), вариант сферы Дайсона, с радиусом в 1 астрономическую единицу.
Сфе;ра Да;йсона — гипотетический астроинженерный проект, предложенный Фрименом Дайсоном[1], представляющий собой относительно тонкую сферическую оболочку большого радиуса (порядка радиуса планетных орбит) со звездой в центре. По признанию[2] самого Фримена Дайсона, идею сферы он впервые обнаружил в фантастическом романе Олафа Стэплдона «Создатель звёзд».
Предполагается, что технологически развитая цивилизация может применять подобное сооружение для максимально возможного использования энергии центральной звезды и/или для решения проблемы жизненного пространства. Необнаружение сфер Дайсона является одним из подтверждений парадокса Ферми.
Основные причины постройки сферы фактически повторяют высказанные Константином Циолковским в «Грёзах о Земле и небе» (1895, главы 37, 43) для цепи и колец космических поселений вокруг Солнца (Дайсон, вероятно, об этом не знал)[3].
Согласно теоретическим расчётам, для сооружения сферы Дайсона вокруг Солнца необходимо вещество массой порядка массы Юпитера[4].
 
Сфера Дайсона должна быть приведена во вращение вокруг центральной оси, чтобы центробежная сила уравновесила силу притяжения центрального светила. Однако, так как центробежная сила достигает максимума на экваторе и равна нулю на полюсах вращающегося тела, на полюсах сферы Дайсона ничто не уравновешивает силы притяжения центрального светила. В результате чего сфера будет неизбежно разрушена.
Станислав Лем в «Сумме технологии»[5] показал, что сооружение сферы для решения проблем жизненного пространства квадриллионов разумных существ бессмысленно с точки зрения логики и социологии, так как на алтарь «свободы неограниченного размножения» (которая непонятно почему должна остаться неприкосновенной, вместо её ограничения) нужно возложить множество других свобод (например, свободу передвижений, выбора профессии и т. п.), что в итоге привело бы к краху культурных ценностей и было бы извращением идеи прогресса, который предполагает их увеличение, а не уменьшение. Также Лем скептически настроен по отношению к возможности существования монокультуры с населением порядка нескольких квадриллионов[6]. Автор считал сферу Дайсона одним из наиболее поразительных примеров ортоэволюционной экстраполяции развития технологии (то есть относящейся к гипотезам, по которым будущее — лишь приумноженное настоящее[7]).
Иосиф Шкловский указал[3], что в сравнении со 100 % использованием энергии излучения центральной звезды, для максимального использования энергетических ресурсов планетной системы, предположительно более эффективным способом получения энергии могло бы быть использование водорода из газового гиганта в термоядерном синтезе. В Солнечной системе из Юпитера таким способом возможно было бы добыть около 1049 эрг или 1042 Дж, что сопоставимо с энергией взрыва сверхновой звезды. Если ежесекундно освобождать энергию 4·1033 эрг или 4·1026 Дж (что равняется мощности солнечного излучения, что также является пределом для сферы Дайсона, что также является энергетическим уровнем цивилизации II типа по шкале Кардашёва), то запаса энергии Юпитера хватило бы почти на 300 млн лет. Этот срок, вероятно, превосходит длительность «шкалы времени» любой развивающейся цивилизации[3].
Модификации
 Рой Дайсона Кольцо Нивена
Для предотвращения угрозы саморазрушения сферы, идея изменения её конструкции была развита в нескольких вариантах:
• Жёсткое кольцо относительно небольшой ширины (порядка процентов диаметра) — Кольцо Нивена.
• Жёсткое широкое экваториальное кольцо, разомкнутое вблизи полюсов и изогнутое по поверхности постоянного абсолютного значения вектора ускорения свободного падения, так что вес пробного тела одинаков в любой точке на внутренней стороне Сферы. Такая поверхность напоминает по форме игрушку-волчок с центральным утолщением. Большее притяжение звезды вблизи экватора компенсируется центробежной силой за счёт большей линейной скорости вращения в неинерциальной системе отсчёта; в высоких широтах в связи с уменьшением гравитационного воздействия звезды требуются меньшие центробежная сила и радиус сечения плоскостью, перпендикулярной к оси вращения. Данная поверхность не является эквипотенциальной для гравитационного поля (складывающегося из гравитационного поля звезды и поля центробежной силы) в собственной вращающейся системе отсчёта конструкции, поэтому сила тяжести направлена не по нормали к поверхности. Однако внутренняя сторона Сферы может быть сконструирована в виде концентрических террас, а не гладкой, так чтобы локальное отклонение силы тяжести от нормали к поверхности террасы не превышало заданного значения.
• Раковина Покровского — модификация, предложенная советским учёным Г. И. Покровским, представляющая собой совокупность колец.
• Структура Крисвелла — развитие идеи Сферы Дайсона, но с фрактальной поверхностью для максимизации площади, воспринимающей излучение звезды поверхности.
• Энергетическое поле — создание вокруг звезды энергетического поля, искривляющего движение фотонов и собирающее их в один пучок. Поле может быть и не энергетическим, а созданным на основе ещё не изученных людьми физических законов, но главная идея в том, что вокруг звезды не надо вообще возводить какой либо конструкции, энергия будет собираться с помощью поля.
Все такие варианты уже нельзя называть «сферой», но такое общее название сохраняется исторически.
 Сфера Дайсона — вариант с поверхностями постоянного абсолютного значения вектора ускорения свободного падения (модель показана с сечением).
Попытки поиска
• Поиск сфер Дайсона — перспективное направление программы SETI. Сооружение подобных масштабов может быть обнаружено существующими астрономическими средствами по его инфракрасному излучению с нетипичным спектральным распределением (таким образом, сфера Дайсона является всенаправленным мощным излучателем). Для этого планируется использовать телескоп SIRTF[источник не указан 300 дней].
• В 2015 году несколько астрономов опубликовали результаты исследований изменений светимости звезды KIC 8462852 (звезда Табби) созвездия Лебедя по данным космического телескопа Kepler в рамках программы поиска экзопланет. Аномальные мерцания этой звезды некоторые исследователи пытались объяснить попыткой строительства сферы Дайсона или другого астроинженерного сооружения. Однако впоследствии было показано, что наблюдаемые изменения светимости звезды могут быть объяснены затемнением от объектов естественного происхождения[8].
• В 2024 году группа астрономов во главе с Матиасом Суасо из Уппсальского университета опубликовала результаты поиска кандидатов в сферы Дайсона в рамках проекта «Гефест». В новом исследовании учёные с помощью компьютерной программы изучили более пяти миллионов звёзд в галактике Млечный Путь. Они обнаружили семь кандидатов, связанных с красными карликами, которые нуждаются в дополнительной проверке. В ходе анализа выборки исследователи удаляли из неё загрязнённые источники (молодые звёзды, затемнённые пылью, или звёзды, которые как-то связаны с пылевыми туманностями), и источники, чьё излучение объяснимо естественными процессами. Также астрономы искали объекты, чьи спектральные распределения энергии были бы совместимы с моделями звёзд, обладающих частично завершёнными сферами Дайсона[источник не указан 300 дней].
Экуменополис
 Планета Трантор, вымышленный экуменополис из Галактической империи Айзека Азимова. Экуменополис в представлении художника Скопления городов (на спутниковом снимке ночью)
Экуменополис (греч. ;;;;;;;;; — Вселенная, обитаемый мир и ;;;;; — город), редко ойкуменополис — сверхагломерация или глобальная агломерация, образующая сплошную сеть расселения на поверхности Земли или другой обитаемой планеты.
Термин введен в 1968 г. греческим архитектором К. Доксиадисом (1913—1975 гг.) в работе «Экуменополис 2100 года», предполагавшим развитие этого непрерывного «планетарного города» преимущественно вдоль побережья мирового океана. Доксиадис оставлял зоны естественной природы на 34 млн км; в качестве заповедных территорий. Аграрные зоны типа механизированных фабрик по его идее займут 45 % суши. Наконец, на городские территории отводится 5%, то есть 3 млн км;, обитаемой суши для создания всемирного города. По мысли автора, Экуменополис знаменует собой конечную стадию процесса урбанизации на планете.
Сфера Бернала
 Внешний вид сферы Бернала Внутренняя часть сферы — вид через световое окно сферы
Сфера Бернала — это тип орбитальной станции и космического поселения, разработанный в 1929 году Джоном Десмондом Берналом; «пространственная среда», предназначенная для постоянного проживания людей. Оригинальный проект Бернала представлял собой сферу диаметром около 10 миль (16 км), способную вместить 20—30 тыс. человек и наполненную воздухом[1].
Колония О’Нила
Колония О’Нила — один из планов по освоению космоса посредством космического поселения (большой космической станции). Проект разработан принстонской группой учёных, работающих под руководством Джерарда О’Нила.
Проект создан на основе имеющихся технологий, однако не реализован (в первую очередь из-за сильной дороговизны — 100 миллиардов $ (в ценах 1970-1980 годов), а также по причинам неэкологичности пока не будет решена радикально проблема с выводом на орбиту большого количества грузов, с помощью, например космического лифта).
Проект предусматривает в течение 10-15 лет сооружение в области «либрационной точки» системы Земля — Луна космической станции диаметром 1,5 км. Вращение этой станции обеспечит на ней искусственную силу тяжести, равную земной. При этом любое материальное тело около точек либрации может там находиться неопределенно долго, двигаясь вокруг Земли по лунной орбите.
Существует лучшая идея, заключающаяся в том, что мы начинаем колонизацию с высокой круговой орбиты, возможно в две трети расстояния от Земли до Луны. Как я указал в своей книге «Высокая граница» (The High Frontier: Human Colonies in Space), если вы проделаете вычисления, вы обнаружите, что можно организовать очень удобные условия жизни в космосе, подобные жизни на Земле, даже за пределами орбиты Плутона. Поэтому для колоний найдется очень много удобных мест в Солнечной системе[1].
— Джерард К. О'Нил
Для самообеспечения внутри колонии предполагалось выращивать продукты питания. В колонии должны были быть размещены промышленные предприятия, нежелательные на Земле.
Население колонии составило бы 10 000 человек.
Кроме того, с помощью системы зеркал, окружающих космическую станцию, предполагается через специальные рефлекторы передавать солнечную энергию на Землю, с КПД 70 %. По этим расчётам сооружение окупится меньше, чем через 10 лет. Также предполагается вести на ней научные исследования космоса.
Создание подобных колоний-баз, несомненно, способствовало бы и освоению Луны и более дальних объектов Солнечной системы.
Остров I
В серии проектных работ, рассматривавшихся в 1975 и 1976 годах Стенфордским университетом, с целью изучения проектов будущих космических колоний, Джерард О’Нил предложил Остров Один, модифицированную Сферу Бернала, диаметром всего лишь 500 метров и вращающуюся со скоростью 1,9 оборота в минуту, производя подобную земной искусственную гравитацию в районе экватора сферы. В результате внутренний ландшафт сферы походил бы на большую долину, проходящую по экватору сферы. Остров Один будет обеспечивать жизнь и отдых космическому населению, в среднем, тысячи человек со специальным отделением, предназначенным для занятия сельским хозяйством. Солнечный свет проникал во внутренность сферы через сеть внешних зеркал и направлялся через большое окно на полюсе сферы. Форма сферы была признана оптимальной для сдерживания внутреннего давления и отражения солнечной радиации[2].
Остров II
О’Нил придумал и следующее поколение данных космических станций как улучшенную версию Острова Один. Остров Два будет приблизительно 1800 метров в диаметре, благоприятная для жизни экваториальная окружность составит 6,5 километров (4 мили). При таких размерах эта среда может быть комфортабельным домом приблизительно для 140 000 человек. Размеры были продиктованы экономикой: среда должна была быть достаточно небольшой, дабы снизить транспортные расходы и время на движение, и достаточно большой, чтобы эффективно содержать необходимую промышленную базу[3].
Остров III
 «Цилиндр О’Нила», также известный как Остров III, космическая станция типа «космическое поселение», был предложен физиком Джерардом О'Нилом в его книге «Высокий Рубеж»[4]. В книге О'Нил описал колонизацию космоса в XXI веке, используя лунные материалы. Цилиндр О'Нила представлял собой два очень больших, вращающихся в противоположных направлениях, цилиндра, каждый по 5 миль (8 километров) в диаметре и 20 миль (32 километра) в длину, связанные друг с другом с концов штоками через систему подшипников. Вращаясь, они создают искусственную гравитацию на своей внутренней поверхности за счёт центробежной силы[5].