カルダシェフ・スケール

カルダシェフ・スケール[1] (The Kardashev scale) とは、1964年に旧ソ連の天文学者ニコライ・カルダシェフが考案した、宇宙文明の発展度を示す三段階のスケールである[1][2]

  • タイプI文明は、惑星文明とも呼ばれ、その惑星で利用可能なすべてのエネルギーを使用および制御できる。
  • タイプII文明は、恒星文明とも呼ばれ、恒星系の規模でエネルギーを使用および制御できる
  • タイプIII文明は、銀河文明とも呼ばれ、銀河全体の規模でエネルギーを制御できる。

概要編集

このスケールは、次に示す3つの段階にカテゴライズされている[2]

  • I型 - 惑星の全てのエネルギーを利用できる文明。エネルギー消費は 4 × 1019 erg/秒(およそ4 × 1012W)。タイプIの文明は通常、母星の恒星から降り注ぐすべてのエネルギーを利用できるものとして定義されている(地球-太陽系の場合、この値は1.74 × 10 17Wに近い)[3] 。地球上で現在達成されている量よりも約4桁高く、エネルギー消費は≈2 × 10 13W。天文学者のGuillermo A. Lemarchand は、これは現代の地球文明に近いレベルであり、1016から1017Wの地球上の太陽の日射に相当するエネルギー能力を持っていると述べた[4]
  • II型 - 母星の恒星の全てのエネルギーを利用することができる文明。例えば、ダイソン球を構築できる科学技術を有するレベル。エネルギー消費は 4 × 1033 erg/秒(およそ4 × 1026W)。
  • III型 - 属する銀河の全てのエネルギーをコントロールできる文明。エネルギー消費は 4 × 1044 erg/秒(およそ4 × 1037W)。
 
カルダシェフ・スケール

人類文明の現状編集

 
全世界一年間の一次エネルギー消費量
 
天文学者カール・セーガンによれば人類は現在「カルダシェフスケール・タイプIを統合しようとしている文明の典型」であり、技術的な思春期の段階を経ている。

現時点では人類はまだタイプⅠ文明の地位にも達していない。物理学者および未来学者のミチオ・カクは、人類は100〜200年でタイプⅠ、数千年でタイプⅡ、10万〜100万年でタイプIIIの文明になる可能性があると示唆した[5]

カール・セーガンは、タイプI(10 16 W)、タイプII(10 26 W)、およびタイプIII(10 36 W) に対して上記の値を補間および外挿する式で中間値(カルダシェフの元のスケールでは考慮されない)を定義することを提案した。

 ,

この値Kはカルダシェフ・スケールであり、Pはワットでの消費電力である。この外挿を使用すると、カルダシェフによって定義されていない「タイプ0」文明が約1 MWの電力を制御し、1973年時点の人類の文明タイプは約0.7だった(1970年代の人類の値として10 テラワット(TW)を使用)[6]

2018年の世界の総エネルギー消費量は13864.9 Mtoe(161,249 TWh)[7] で、平均電力消費量18.40 TW、セーガンの補間カルダシェフ・スケールでは0.7265に相当する。

エネルギー開発編集

タイプI文明編集

  • 核融合エネルギーの大規模応用。質量とエネルギーの等価性(E=mc2)によれば、タイプI文明は毎秒約2kgの物質をエネルギーへ変換することを意味する。 理論的には、1秒間に約280kgの水素を核融合でヘリウムに変換させることによって、同等のエネルギー放出を達成することができる[8]。 1立方kmの水には約1011 kgの水素が含まれ、地球の海には約1.3×109立方kmの水が含まれている。つまり、地球上の人類は、利用可能な水素の観点から地質時間スケールでこの消費率を維持できる。
  • 大量の反物質には、現在の技術レベルを数倍上回る規模で電力を生成するメカニズムがある。反物質-物質衝突では、粒子の静止質量全体が放射エネルギーに変換される。それらのエネルギー密度(質量あたりに放出されるエネルギー)は、核分裂を使用した場合よりも約4桁大きく、核融合から得られる最高の収量よりも約2桁大きくなる[9] 。1kgの反物質と1kgの物質の反応により 、1.8×1017ジュール(180ペタジュール)のエネルギーが生成される[10]反物質がエネルギー源として提案されることもあるが、これは現実的ではないと考えられている。現在の物理学の法則では、人工的に反物質を生成することは、最初にエネルギーを質量に変換する必要があり、正味のエネルギーを生み出さない。人工的に作成された反物質は、将来の技術開発(反物質に有利なCP対称性の破れなどのバリオン数の保存とは反対に)が通常の物質の変換を許可しない限り、エネルギー源としてではなく、エネルギー貯蔵の媒体として使用される。理論的には知的文明は将来、自然界に存在する多くの反物質の源を栽培し収穫する技術を持つかもしれない[11][12][13]
  • 太陽光を電気に変換することによる再生可能エネルギー - 太陽電池を使用した大規模な太陽光発電。間接的にはバイオ燃料風力水力発電など。人工の構造物で地球の表面を完全に被覆することなく太陽エネルギーを全て吸収する方法は知られておらず、現在の人類の技術では実現不可能である。軌道上に非常に大きな太陽光発電衛星を建設した場合、タイプI文明の電力レベルが達成可能になる可能性がある。これらは太陽光をマイクロ波に変換し、地球上の受信機送電する。

タイプII文明編集

 
星を囲むダイソン・スウォームの図

タイプII文明は、タイプI文明で採用されているのと同じ手法を使用する場合があるが、多数の星系の多数の惑星に適用される。

  • ダイソン球やダイソン・スォームと同様の巨大構築物を建造し、母星恒星を太陽光発電衛星で囲むことで、ほとんどまたはそのエネルギー出力のすべてを利用する[14]
  • 使用可能なエネルギーを生成するよりもエキゾチックな手段は、任意の質量をブラックホールに送り込み、降着円盤によって放出されたエネルギーを集めることである[15][16] 。エキゾチックではない手段では、すでに降着円盤から脱出したエネルギーを捕らえ、ブラックホールの角運動量を減らすことである。この手法はペンローズプロセスとして知られている。
  • スターリフティングは寿命が尽き掛けた恒星を操作することで恒星の問題のかなりの部分を取り除くことができるプロセスである。
  • 反物質は、多くのメガスケールエンジニアリングプロセス(前述のスターリフティングなど)の産業副産物として生産される可能性が高いため、リサイクルできる。
  • 複数の星系、個々の星の出力は小さいが、十分な数のエネルギーを収穫できる。

タイプIII文明編集

  • タイプIIIの文明はタイプIIの文明で採用されているのと同じ手法を使用するかもしれないが、1つ以上の銀河のすべての可能な星に個別に適用される。
  • ほとんどの銀河の中心に存在すると目されている超大質量ブラックホールから放出されたエネルギーを利用することができるかもしれない。
  • ホワイトホールがもし存在すれば、理論的には外に放出される物質を集めることで大量のエネルギーを供給することができる。
  • ガンマ線バーストのエネルギーを捉えることは、高度な文明が理論的に利用可能な電源の一つ。
  • クェーサーからの放出は小さな活動銀河の放出と容易に比較することができ、収集可能であれば大規模な電源を提供する可能性がある。


スケールの拡張編集

カルダシェフ・スケールの拡張および代替案がいくつか提案されている。

  • タイプ0、IV、V文明:宇宙全体を制御または使用できるタイプⅣ文明、更に上位のタイプIV文明。これにはカルダシェフスケールにランクされていないタイプ0文明も含まれる。可視宇宙の出力は1045Wの数桁以内。このような文明は、現在の科学的理解に基づく推測の限界に近づいたり、超えたりすること自体が不可能な場合がある。
    • Zoltán Galántaiは、そのような文明は自然の働きと見分けがつかないため、そのような文明は検出できないと主張した[17]
    • 理論物理学者ミチオ・カクは自身の著書で、ダークエネルギーのような「銀河系外」のエネルギーを活用できるタイプⅣ文明を取り上げた[18]

カルダシェフ・スケールの代替案

スケールに対する他の提案された代替案に、星系の制御、使用される情報量、または非常に大きいスケールではなく非常に小さいナノスケールを制御する技術の進捗など、異なる指標を採用する。
  • 星の制御(Robert Zubrin)
    • 純粋なエネルギー使用量以外の指標も提案されている。この案ではエネルギーだけを考慮するのではなく、惑星星系、または銀河の「制御」を指標としている[19]
  • 情報の量(カール・セーガン)
    • カール・セーガンは、純粋なエネルギーの使用に加えて、文明が利用可能な情報という別の側面を追加することを提案した。
    • 106ビットにAの文字を割り当て、続く各アルファベットが桁数の増加を表すため、レベルZ文明は1031ビットを持つ。
    • この分類では、1973年の地球は0.7 H文明であり、1013ビットの情報にアクセスできる。
    • 情報とエネルギーの軸は厳密には相互依存しているわけではないため、レベルZの文明がタイプⅢ文明である必要はない[6]

出典編集

  1. ^ a b 「文明のレベルを分類する「カルダシェフ・スケール」」『Newton』第37巻第10号、ニュートンプレス、2017年7月、 35頁。
  2. ^ a b Kardashev, Nikolai (1964). “Transmission of Information by Extraterrestrial Civilizations”. Soviet Astronomy 8: 217. Bibcode1964SvA.....8..217K. 
  3. ^ Kardashev, Nikolai (1964). “Transmission of Information by Extraterrestrial Civilizations”. Soviet Astronomy 8: 217–221. Bibcode1964SvA.....8..217K. 
  4. ^ Lemarchand, Guillermo A. Detectability of Extraterrestrial Technological Activities. Coseti. http://www.coseti.org/lemarch1.htm. 
  5. ^ Kaku, Michio (2010年). “The Physics of Interstellar Travel: To one day, reach the stars.”. 2010年8月29日閲覧。
  6. ^ a b Sagan, Carl (October 2000) [1973]. Jerome Agel. ed. Cosmic Connection: An Extraterrestrial Perspective. Freeman J. Dyson, David Morrison. Cambridge Press. ISBN 978-0-521-78303-3. https://books.google.com/?id=lL57o9YB0mAC&pg=PA156 2008年1月1日閲覧. "I would suggest Type 1.0 as a civilization using 1016 watts for interstellar communication; Type 1.1, 1017 watts; Type 1.2, 1018 watts, and so on. Present civilization would be classed as something like Type 0.7." 
  7. ^ BP Statistical Review of World Energy 2019”. bp.com. BP plc. 2019年12月22日閲覧。
  8. ^ Souers, P. C. (1986). Hydrogen properties for fusion energy. University of California Press. p. 4. ISBN 978-0-520-05500-1. https://books.google.com/?id=I2K6DKA1IMwC&printsec=frontcover. 
  9. ^ Borowski, Steve K. (1987-07-29). “Comparison of Fusion/Anti-matter Propulsion Systems for Interplanetary Travel”. Technical Memorandum 107030. San Diego, California, USA: National Aeronautics and Space Administration. pp. 1–3. オリジナルの2008-05-28時点におけるアーカイブ。. https://web.archive.org/web/20080528030524/http://gltrs.grc.nasa.gov/reports/1996/TM-107030.pdf 2008年1月28日閲覧。 
  10. ^ By the mass–energy equivalence formula E = mc². See antimatter as a fuel source for the energy comparisons.
  11. ^ Than, Ker (2011年8月10日). “Antimatter Found Orbiting Earth—A First”. National Geographic News. http://news.nationalgeographic.com/news/2011/08/110810-antimatter-belt-earth-trapped-pamela-space-science/ 
  12. ^ Adriani; Barbarino; Bazilevskaya; Bellotti; Boezio; Bogomolov; Bongi; Bonvicini et al. (2011). “The discovery of geomagnetically trapped cosmic ray antiprotons”. The Astrophysical Journal 736 (29): L1. arXiv:1107.4882. Bibcode2011ApJ...736L...1H. doi:10.1088/2041-8205/736/1/L1. 
  13. ^ Palmer, Jason (2011年1月11日). “Antimatter caught streaming from thunderstorms on Earth”. BBC News. https://www.bbc.co.uk/news/science-environment-12158718 2015年12月29日閲覧。 
  14. ^ Dyson, Freeman J. (1966年). “The Search for Extraterrestrial Technology”. Perspectives in Modern Physics (New York: John Wiley & Sons) 
  15. ^ Newman, Phil (2001年10月22日). “New Energy Source "Wrings" Power from Black Hole Spin”. NASA. 2008年2月9日時点のオリジナルよりアーカイブ。2008年2月19日閲覧。
  16. ^ Schutz, Bernard F. (1985). A First Course in General Relativity. New York: Cambridge University Press. pp. 304, 305. ISBN 978-0-521-27703-7. https://books.google.com/books?id=qhDFuWbLlgQC. 
  17. ^ Galántai, Zoltán (2003年9月7日). “Long Futures and Type Ⅳ Civilizations”. 2014年11月3日閲覧。
  18. ^ Kaku, Michio (2005). Parallel Worlds: The Science of Alternative Universes and Our Future in the Cosmos. New York: Doubleday. p. 317. ISBN 978-0-7139-9728-6. 
  19. ^ Zubrin, Robert (1999). Entering Space: Creating a Spacefaring Civilization. ISBN 978-1585420360.