La misura della potenza di una civiltà: ecco la scala Kardashev

Quanto è sviluppata una civiltà? Secondo il russo Kardashev tutto dipende dall'energia che essa è capace di sfruttare.

La misura della potenza di una civiltà: ecco la scala Kardashev
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Già sessant'anni fa, se non più di adesso, il pensiero dello spazio e della sua immensità erano tematiche di forte interesse per l'umanità e, in particolare, per gli scienziati. Correvano gli anni '60 dello scorso secolo e l'Unione Sovietica dal punto di vista scientifico era indiscutibilmente la nazione leader a livello globale, grazie al predominio che fino ad allora aveva ottenuto nella cosiddetta "corsa allo spazio". Non è un caso, quindi, che nel 1964 proprio un sovietico, Nikolai Semyonovich Kardashev, stilò una scala in tre punti che rappresenta l'avanzamento tecnologico di una civiltà (extraterrestre e non) grazie al livello di trasmissione di segnali attraverso lo spazio.

L'articolo originale di Kardashev

La pubblicazione dello scienziato sovietico è una trattazione sulla trasmissione di informazioni di civiltà extraterrestri, da e per queste civiltà aliene per essere precisi. In essa viene discussa la necessità di adoperare onde radio della lunghezza d'onda dei decimetri e centimetri di metro, le quali sono le migliori per attraversare i mezzi interstellari, ovvero miscele di gas e piccole particelle solide che si trovano tre le stelle di una galassia.

Per poter essere efficace, un'onda radio che ha lo scopo di inviare informazioni deve propagarsi in ogni direzione dello spazio, dal momento che un'onda ad alta direttività ha senso solo se delle connessioni con civiltà aliene sono già avvenute e quindi sapendo dove puntare il segnale; di contro, l'energia per propagare un messaggio che arrivi in ogni direzione ha bisogno di una potenza tale da essere stata a malapena concepita.
Da questo concetto nasce l'idea di creare una scala per classificare il livello di avanzamento tecnologico di una civiltà data dalla quantità di energia consumata da questa. Riportando in italiano il più fedelmente possibile i tre livelli di energia, questi vengono così descritti:

I - un livello tecnologico vicino al livello raggiunto sulla Terra (nel 1964) con energia consumata che si stima di 4 TW (Tera Watt) di potenza.
II - una civiltà capace di sfruttare l'energia radiata dalla propria stella; consumo di energia di circa 400 YW (Yotta Watt) di potenza.
III - una civiltà in possesso dell'energia sulla scala della propria galassia, con consumo di energia di circa 40000000000000 YW di potenza.

Nell'articolo di Kardashev, così come in questo approfondimento, energia e potenza sono spesso usati come sinonimi: per i nostri scopi è indubbiamente vero, in quanto al crescere di un valore si ha l'aumento dell'altro, ma è bene rinfrescare alcune nozioni scolastiche fondamentali.
Sappiamo, per esempio, che W = J/s e cioè che la potenza è energia (joule) nell'unità di tempo (secondi). Per quanto riguarda le cifre, invece, se il numero degli zeri degli ultimi due indici vi sembrano enormi, considerate che un solo YW è uguale 1000000000000000000000000 W. Cifre astronomiche - letteralmente - che danno l'idea della quantità di potenza di cui stiamo discutendo, ma che riportiamo anche nella tabella in seguito per maggiore chiarezza:

Due civiltà di tipo I, per definizione, difficilmente riusciranno a stabilire un contatto in questo vasto universo, ciò significa che eventuali trasmissioni di informazioni potranno essere stabilite con le civiltà tipo II e di tipo III, che sono più evolute, e il dislivello di tecnologia porterebbe a uno scambio quasi unilaterale di informazioni che gioverebbe enormemente all'umanità.

L'astronomo dell'U.R.S.S., grazie a tale informazione, pose l'accento su come potrebbe essere identificato un segnale artificiale tramite alcuni parametri fisici, sulla necessità di sviluppare strutture di ricezione sempre più efficaci e grandi e sullo studio di segnali non previsti provenienti dalle stelle, che potrebbero indicare superstrutture o sfere di Dyson, che una civiltà aliena potrebbe utilizzare per incanalare l'energia da una stella.
Un ultimo concetto dell'articolo è di notevole interesse: Kardashev ha stimato la quantità di informazioni complessiva del genere umano (sempre negli anni '60) in cento milioni di pubblicazioni e manoscritti, che andrebbero a occupare 100 bilioni di bit.

L'interesse della comunità, scientifica e non

Un articolo con misure di queste dimensioni in ballo non è da prendere come esaustivo e completo sull'argomento, ma come una base di partenza per poter iniziare a parlare di civiltà tecnologicamente più avanzate di quella umana e plasmare un dialogo tra gli scienziati.
A quasi sessant'anni di distanza possiamo tranquillamente affermare che questo dialogo ha preso enormemente piede, tanto da uscire dal suo campo di appartenenza e diventare uno degli argomenti che più affascinano gli appassionati di astronomia.

Il motivo è chiaro: le teorie, le congetture e l'immaginazione trovano terreno fertile in tale classificazione.
Quali tipi di energie si possono sfruttare? Come si colonizza un intero sistema solare? E una galassia? Una civiltà di tipo III com'è fatta e, soprattutto, come guarderebbe una civiltà primitiva come la nostra? Ci vorranno davvero 400.000 anni per trovare vita extraterreste come dimostra un recente studio? Civiltà più avanzate ci trasmetterebbero le loro informazioni? E mille altre domande che vi verranno in mente, che però sono riconducibili ad un solo quesito che stimola la nostra curiosità più viscerale: siamo soli in questo universo?

I continui aggiornamenti alla scala

Questa natura non particolarmente quantitativa della scala ha dato il via a modifiche, revisioni e aggiornamenti alla classificazione di Kardashev da parte della comunità scientifica nel corso degli anni.
Da grande divulgatore qual era Carl Sagan, che già nel 1985 avvertiva del cambiamento climatico, ha sicuramente posto il contribuito più importante alla scala nel 1973 spostando la civiltà umana a un livello più basso del tipo I ed eliminando i numeri romani. L'esperto astronomo introdusse una notazione con numeri arabi: il tipo 1, adesso, rappresenta una civiltà che sfrutta di ogni fonte di energia disponibile del pianeta, che Sagan stima a 10000 TW, e con l'utilizzo di numeri arabi possiamo usare i decimali per calcolare che la razza umana ha un valore di 0.7 sulla scala di Kardashev.

La scala Sagan e tutte le successive all'articolo di Kardashev sono però definite apocrife, pertanto ci soffermeremo solo su una delle più aggiornate in circolazione, quella stilata da Robert H. Gray nel The Astronomical Journal del maggio 2020.

In questo lavoro, Grey ha cercato di riassumere e condensare ogni articolo scritto dai 56 anni dalla pubblicazione della scala originale: i contributi più significativi, oltre al lavoro iniziale di Kardashev, sono quelli di Sagan, già citato, e quello di Lemarchand del 1994, che ha basato il tipo 1 su un'energia specifica, quella irradiata dal sole sulla superficie della Terra, in modo tale da generalizzare il discorso a pianeti che non hanno forme di energia diversificate quali carburanti fossili o nucleare, quantità che non differisce di molto dal valore di Carl Sagan.
Da queste basi, Gray ha stilato una scala in cinque punti che sono caratterizzate da un aumento di potenze di dieci su ogni scala (come già suggerito da Sagan):

Il valore 0.0 è chiamato scala biologica in quanto indica energie talmente basse che simili valori si possono trovare in alcuni processi biologici, come per esempio nella digestione dei grandi cetacei: tale valore serviva principalmente a creare un fondo scala. La scala planetaria 1.0, invece, riprende i concetti di Sagan e Lemarchand discussi sopra.

La scala 2.0 o anche chiamata scala stellare è una buona media delle energie delle stelle di classe F, G e K, che sono considerate potenzialmente idonee a ospitare vita sul proprio sistema (il Sole è, infatti, una stella di classe G).

La scala galattica (3.0) arriva molto vicina a considerare tutta l'energia della Via Lattea, che è tra le galassie più grandi tra quelle osservate. La scala dell'universo osservabile (4.0), infine, è "solo" di due ordini di grandezza più piccola dell'energia stimata di tutte le galassie ipotizzate.
Ritornando con i piedi per terra - per quanto possibile con questi concetti - e riprendendo le classi 1.0 e 2.0, è possibile fare una stima di quando l'umanità arriverà a tali soglie: ipotizzando un incremento annuale dell'1% in energia, una percentuale perlopiù simbolica in quanto variabile (dal 2006 fino al 2016 l'incremento annuale è stato infatti più alto cioè del 1,7%), e calcolando che l'umanità (nel 2015) si posiziona su un valore di 0.72, arriveremo a essere una civiltà di tipo 1.0 nell'anno 2654 e di tipo 2.0 nel 4968.

Infine, tornando a considerare la quantità di informazioni in bit, le stime aggiornate al 2015 includendo nuovi articoli, libri, computer, film, memorie magnetiche e ottiche si attestano su un valore di 1 trilione di bit, un'enormità, eppure l'articolo appena letto ci fa capire quanto assurdi ed enormi siano i numeri in gioco su tali dimensioni, tant'è che si stima l'intera informazione in bit dell'universo con una cifra a ben 60 zeri.