FISIKA PERADABAN LUAR BUMI: Seberapa maju mereka?

Oleh: Michio Kaku  

Almarhum Carl Sagan pernah menanyakan pertanyaan ini, “Apa artinya sebuah peradaban berumur satu juta tahun? Kami telah memiliki teleskop radio dan pesawat luar angkasa selama beberapa dekade; peradaban teknis kita berusia beberapa ratus tahun… sebuah peradaban maju berusia jutaan tahun jauh melampaui kita seperti halnya kita melampaui bayi semak atau kera.”

Meskipun setiap dugaan tentang peradaban maju seperti itu hanyalah spekulasi belaka, orang masih dapat menggunakan hukum fisika untuk menempatkan batas atas dan bawah pada peradaban ini. Khususnya, sekarang hukum teori medan kuantum, relativitas umum, termodinamika, dll. cukup mapan, fisika dapat memaksakan batas fisik yang luas yang membatasi parameter peradaban ini.

Pertanyaan ini bukan lagi soal spekulasi kosong. Segera, umat manusia mungkin menghadapi kejutan eksistensial karena daftar selusin planet ekstrasurya seukuran Jupiter saat ini membengkak menjadi ratusan planet seukuran bumi, kembaran yang hampir identik dari tanah air selestial kita. Ini mungkin mengantar era baru dalam hubungan kita dengan alam semesta: kita tidak akan pernah melihat langit malam dengan cara yang sama lagi, menyadari bahwa para ilmuwan pada akhirnya dapat menyusun ensiklopedia yang mengidentifikasi koordinat yang tepat dari mungkin ratusan planet mirip bumi. .

Hari ini, setiap beberapa minggu membawa berita tentang penemuan planet ekstrasurya baru seukuran Jupiter, yang terbaru berjarak sekitar 15 tahun cahaya yang mengorbit di sekitar bintang Gliese 876. Yang paling spektakuler dari temuan ini difoto oleh Teleskop Luar Angkasa Hubble, yang menangkap foto-foto menakjubkan dari sebuah planet yang berjarak 450 tahun cahaya yang ditembakkan ke luar angkasa oleh sistem bintang ganda.

Tapi yang terbaik belum datang. Pada awal dekade berikutnya, para ilmuwan akan meluncurkan teleskop jenis baru, teleskop ruang angkasa interferome try, yang menggunakan interferensi berkas cahaya untuk meningkatkan daya resolusi teleskop.

Misalnya, Space Interferometry Mission (SIM), yang akan diluncurkan pada awal dekade berikutnya, terdiri dari beberapa teleskop yang ditempatkan di sepanjang struktur 30 kaki. Dengan resolusi yang belum pernah terjadi sebelumnya mendekati batas fisik optik, SIM sangat sensitif sehingga hampir bertentangan dengan kepercayaan: mengorbit bumi, dapat mendeteksi gerakan lentera yang dilambaikan oleh astronot di Mars!

SIM, pada gilirannya, akan membuka jalan bagi Pencari Planet Terestrial, yang akan diluncurkan pada akhir dekade berikutnya, yang seharusnya mengidentifikasi lebih banyak planet mirip bumi. Ini akan memindai 1.000 bintang paling terang dalam jarak 50 tahun cahaya dari bumi dan akan fokus pada 50 hingga 100 sistem planet paling terang.

Semua ini, pada gilirannya, akan merangsang upaya aktif untuk menentukan apakah ada di antara mereka yang memiliki kehidupan, mungkin beberapa dengan peradaban yang lebih maju daripada kita.

Meskipun tidak mungkin untuk memprediksi fitur yang tepat dari peradaban maju seperti itu, garis besarnya dapat dianalisis menggunakan hukum fisika. Tidak peduli berapa juta tahun memisahkan kita dari mereka, mereka masih harus mematuhi hukum besi fisika, yang sekarang cukup maju untuk menjelaskan segala sesuatu mulai dari partikel sub-atom hingga struktur skala besar alam semesta, melalui 43 urutan yang mengejutkan. besarnya.

Fisika Peradaban Tipe I, II, dan III

Secara khusus, kita dapat membuat peringkat peradaban berdasarkan konsumsi energinya, menggunakan prinsip-prinsip berikut:

1) Hukum termodinamika. Bahkan peradaban maju pun terikat oleh hukum termodinamika, khususnya Hukum Kedua, dan karenanya dapat diurutkan berdasarkan energi yang mereka miliki.

2) Hukum materi yang stabil. Materi barionik (misalnya berdasarkan proton dan neutron) cenderung mengelompok menjadi tiga kelompok besar: planet, bintang, dan galaksi. (Ini adalah produk turunan dari evolusi bintang dan galaksi, fusi termonuklir, dll.) Dengan demikian, energi mereka juga akan didasarkan pada tiga jenis berbeda, dan ini menempatkan batas atas tingkat konsumsi energi mereka.

3) Hukum evolusi planet. Setiap peradaban maju harus tumbuh dalam konsumsi energi lebih cepat dari frekuensi bencana yang mengancam jiwa (misalnya dampak meteor, zaman es, supernova, dll). Jika mereka tumbuh lebih lambat, mereka pasti akan punah. Ini menempatkan batas bawah matematis pada tingkat pertumbuhan peradaban ini.

Dalam makalah yang diterbitkan pada tahun 1964 di Journal of Soviet Astronomy, astrofisikawan Rusia Nicolai Kardashev berteori bahwa peradaban maju harus dikelompokkan menurut tiga jenis: Tipe I, II, dan III, yang telah menguasai bentuk energi planet, bintang, dan galaksi, masing-masing. Dia menghitung bahwa konsumsi energi dari ketiga jenis peradaban ini akan dipisahkan oleh faktor miliaran. Tapi berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk mencapai status Tipe II dan III?

Lebih pendek dari yang disadari kebanyakan orang

Astronom Berkeley, Don Goldsmith, mengingatkan kita bahwa bumi menerima sekitar sepermiliar energi matahari, dan manusia memanfaatkan sekitar sepersejuta dari itu. Jadi kita mengkonsumsi sekitar satu juta miliar dari total energi matahari. Saat ini, seluruh produksi energi planet kita adalah sekitar 10 miliar miliar erg per detik. Tetapi pertumbuhan energi kita meningkat secara eksponensial, dan karenanya kita dapat menghitung berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk naik ke status Tipe II atau III.

Goldsmith berkata, “Lihat seberapa jauh kita telah menggunakan energi setelah kita menemukan cara untuk memanipulasi energi, bagaimana membuat bahan bakar fosil benar-benar berjalan, dan bagaimana menciptakan tenaga listrik dari tenaga air, dan seterusnya; kita telah mencapai penggunaan energi dalam jumlah yang luar biasa hanya dalam beberapa abad dibandingkan dengan miliaran tahun planet kita telah ada di sini … dan hal yang sama ini mungkin berlaku untuk peradaban lain.”

Fisikawan Freeman Dyson dari Institute for Advanced Study memperkirakan bahwa, dalam 200 tahun atau lebih, kita harus mencapai status Tipe I. Bahkan, dengan pertumbuhan sedang 1% per tahun, Kardashev memperkirakan bahwa hanya dibutuhkan waktu 3.200 tahun untuk mencapai status Tipe II, dan 5.800 tahun untuk mencapai status Tipe III. Hidup di peradaban Tipe I, II, atau III

Misalnya, peradaban Tipe I adalah peradaban yang benar-benar planet, yang telah menguasai sebagian besar bentuk energi planet. Output energi mereka mungkin berada di urutan ribuan hingga jutaan kali output planet kita saat ini. Mark Twain pernah berkata, "Semua orang mengeluh tentang cuaca, tetapi tidak ada yang melakukan apa-apa." Ini mungkin berubah dengan peradaban Tipe I, yang memiliki energi yang cukup untuk mengubah cuaca. Mereka juga memiliki energi yang cukup untuk mengubah arah gempa bumi, gunung berapi, dan membangun kota di lautan mereka.

Saat ini, output energi kami memenuhi syarat untuk status Tipe 0. Kami memperoleh energi kami bukan dari memanfaatkan kekuatan global, tetapi dengan membakar tanaman mati (misalnya minyak dan batu bara). Tapi sudah, kita bisa melihat benih peradaban Tipe I. Kita melihat awal dari bahasa planet (Inggris), sistem komunikasi planet (Internet), ekonomi planet (penempaan Uni Eropa), dan bahkan awal dari budaya planet (melalui media massa, TV, musik rock, dan film Hollywood).

Menurut definisi, peradaban maju harus tumbuh lebih cepat daripada frekuensi bencana yang mengancam jiwa. Karena tumbukan meteor dan komet besar terjadi setiap beberapa ribu tahun sekali, peradaban Tipe I harus menguasai perjalanan ruang angkasa untuk membelokkan puing-puing ruang angkasa dalam jangka waktu tersebut, yang seharusnya tidak menjadi masalah besar. Zaman es mungkin terjadi dalam skala waktu puluhan ribu tahun, jadi peradaban Tipe I harus belajar memodifikasi cuaca dalam kerangka waktu tersebut.

Bencana buatan dan internal juga harus dinegosiasikan. Tetapi masalah polusi global hanyalah ancaman mematikan bagi peradaban Tipe 0; a Peradaban Tipe I telah hidup selama beberapa milenium sebagai peradaban planet, yang tentu saja mencapai keseimbangan planet ekologis. Masalah internal seperti perang memang merupakan ancaman berulang yang serius, tetapi mereka memiliki waktu ribuan tahun untuk menyelesaikan konflik rasial, nasional, dan sektarian.

Akhirnya, setelah beberapa ribu tahun, peradaban Tipe I akan menghabiskan kekuatan sebuah planet, dan akan memperoleh energi mereka dengan mengonsumsi seluruh keluaran energi matahari mereka, atau kira-kira satu miliar triliun triliun erg per detik.

Dengan keluaran energi mereka yang sebanding dengan bintang kecil, mereka harus terlihat dari luar angkasa. Dyson telah mengusulkan bahwa peradaban Tipe II bahkan dapat membangun bola raksasa di sekitar bintang mereka untuk lebih efisien memanfaatkan total output energinya. Bahkan jika mereka mencoba untuk menyembunyikan keberadaan mereka, mereka harus, menurut Hukum Kedua Termodinamika, memancarkan panas yang terbuang. Dari luar angkasa, planet mereka mungkin bersinar seperti hiasan pohon Natal. Dyson bahkan mengusulkan untuk mencari secara khusus emisi inframerah (daripada radio dan TV) untuk mengidentifikasi peradaban Tipe II ini.

Mungkin satu-satunya ancaman serius bagi peradaban Tipe II adalah ledakan supernova di dekatnya, yang letusannya tiba-tiba dapat menghanguskan planet mereka dalam ledakan sinar-X yang mematikan, membunuh semua bentuk kehidupan. Jadi, mungkin peradaban yang paling menarik adalah peradaban Tipe III, karena benar-benar abadi. Mereka telah menghabiskan kekuatan satu bintang, dan telah menjangkau sistem bintang lainnya. Tidak ada bencana alam yang diketahui sains mampu menghancurkan peradaban Tipe III.

Dihadapkan dengan supernova tetangga, ia akan memiliki beberapa alternatif, seperti mengubah evolusi bintang raksasa merah yang sekarat yang akan meledak, atau meninggalkan sistem bintang khusus ini dan mengubah sistem planet terdekat.

Namun, ada penghalang jalan menuju peradaban Tipe III yang baru muncul. Akhirnya, ia bertemu dengan hukum besi fisika lainnya, teori relativitas. Dyson memperkirakan bahwa ini dapat menunda transisi ke peradaban Tipe III mungkin jutaan tahun.

Tetapi bahkan dengan penghalang cahaya, ada sejumlah cara untuk memperluas pada kecepatan mendekati cahaya. Misalnya, ukuran akhir dari kemampuan roket diukur dengan sesuatu yang disebut "impuls spesifik" (didefinisikan sebagai produk dari dorong dan durasi, diukur dalam satuan detik). Roket kimia dapat mencapai impuls spesifik beberapa ratus hingga beberapa ribu detik. Mesin ion dapat mencapai impuls spesifik puluhan ribu detik. Tetapi untuk mencapai kecepatan kecepatan mendekati cahaya, seseorang harus mencapai impuls spesifik sekitar 30 juta detik, yang jauh di luar kemampuan kita saat ini, tetapi bukan peradaban Tipe III. Berbagai sistem propulsi akan tersedia untuk probe kecepatan sub-ringan (seperti mesin fusi ram-jet, mesin fotonik, dll.)

Cara Menjelajahi Galaksi

Karena jarak antar bintang begitu jauh, dan jumlah tata surya yang tidak cocok dan tak bernyawa begitu besar, peradaban Tipe III akan dihadapkan pada pertanyaan berikutnya: apa cara matematis yang paling efisien untuk menjelajahi ratusan miliar bintang di galaksi? ?

Dalam fiksi ilmiah, pencarian dunia yang dapat dihuni telah diabadikan di TV oleh kapten heroik yang dengan berani memimpin kapal bintang tunggal, atau sebagai Borg pembunuh, peradaban Tipe III yang menyerap peradaban Tipe II yang lebih rendah (seperti Federasi). Namun, metode yang paling efisien secara matematis untuk menjelajahi ruang angkasa jauh lebih tidak glamor: mengirim armada "penyelidik Von Neumann" ke seluruh galaksi (dinamai dari John Von Neumann, yang menetapkan hukum matematika sistem yang mereplikasi diri).

Sebuah probe Von Neumann adalah robot yang dirancang untuk mencapai sistem bintang yang jauh dan membuat pabrik yang akan mereproduksi salinan sendiri hingga ribuan. Sebuah bulan mati daripada sebuah planet membuat tujuan ideal untuk probe Von Neumann, karena mereka dapat dengan mudah mendarat dan lepas landas dari bulan-bulan ini, dan juga karena bulan-bulan ini tidak memiliki erosi. Probe ini akan hidup dari tanah, menggunakan deposit besi, nikel, dll. yang terjadi secara alami untuk membuat bahan baku untuk membangun pabrik robot. Mereka akan membuat ribuan salinan dari diri mereka sendiri, yang kemudian akan menyebar dan mencari sistem bintang lainnya.

Mirip dengan virus yang menjajah tubuh berkali-kali ukurannya, akhirnya akan ada bola triliunan probe Von Neumann yang berkembang ke segala arah, meningkat pada sebagian kecil dari kecepatan cahaya. Dengan cara ini, bahkan sebuah galaksi dengan lebar 100.000 tahun cahaya dapat dianalisis sepenuhnya dalam, katakanlah, setengah juta tahun.

Jika penyelidikan Von Neumann hanya menemukan bukti kehidupan primitif (seperti peradaban Tipe 0 yang tidak stabil dan biadab), mereka mungkin hanya tertidur di bulan, diam-diam menunggu peradaban Tipe 0 berevolusi menjadi peradaban Tipe I yang stabil. Setelah menunggu dengan tenang selama beberapa milenium, mereka dapat diaktifkan ketika peradaban Tipe I yang muncul cukup maju untuk mendirikan koloni bulan. Fisikawan Paul Davies dari University of Adelaide bahkan telah mengangkat kemungkinan penyelidikan Von Neumann yang bertumpu di bulan kita sendiri, yang tersisa dari kunjungan sebelumnya di sistem kita ribuan tahun yang lalu.

(Jika ini terdengar agak akrab, itu karena itu adalah dasar dari film, 2001. Awalnya, Stanley Kubrick memulai film dengan serangkaian ilmuwan yang menjelaskan bagaimana probe seperti ini akan menjadi metode yang paling efisien untuk menjelajahi luar angkasa. Sayangnya, pada menit terakhir, Kubrick memotong segmen pembuka dari filmnya, dan monolit ini menjadi entitas yang hampir mistis)

Perkembangan baru

Sejak Kardashev memberikan peringkat asli peradaban, ada banyak perkembangan ilmiah yang menyempurnakan dan memperluas analisis aslinya, seperti perkembangan terbaru dalam nanoteknologi, bioteknologi, fisika kuantum, dll.

Misalnya, nanoteknologi dapat memfasilitasi pengembangan probe Von Neumann. Seperti yang diamati fisikawan Richard Feynman dalam esai seminalnya, "Ada Banyak Ruang di Bawah," tidak ada dalam hukum fisika yang mencegah pembentukan pasukan mesin berukuran molekul. Saat ini, para ilmuwan telah membangun keingintahuan berukuran atom, seperti sempoa atom dengan Buckyballs dan gitar atom dengan senar sekitar 100 atom.

Paul Davies berspekulasi bahwa peradaban penjelajah ruang angkasa dapat menggunakan nanoteknologi untuk membangun probe mini untuk menjelajahi galaksi, mungkin tidak lebih besar dari telapak tangan Anda. Davies berkata, “Penyelidikan kecil yang saya bicarakan akan sangat tidak mencolok sehingga tidak mengherankan bahwa kita belum menemukannya. Ini bukan jenis hal yang Anda akan tersandung di halaman belakang Anda. Jadi jika itu adalah cara teknologi berkembang, yaitu lebih kecil, lebih cepat, lebih murah dan jika peradaban lain telah menempuh rute ini, maka kita dapat dikelilingi oleh perangkat pengawasan.”

Selanjutnya, perkembangan bioteknologi telah membuka kemungkinan yang sama sekali baru. Probe ini dapat bertindak sebagai bentuk kehidupan, mereproduksi informasi genetik mereka, bermutasi dan berkembang pada setiap tahap reproduksi untuk meningkatkan kemampuan mereka, dan mungkin memiliki kecerdasan buatan untuk mempercepat pencarian mereka.

Juga, teori informasi memodifikasi analisis Kardashev yang asli. Proyek SETI saat ini hanya memindai beberapa frekuensi emisi radio dan TV yang dikirim oleh peradaban Tipe 0, tetapi mungkin bukan peradaban maju. Karena statis besar yang ditemukan di luar angkasa, penyiaran pada frekuensi tunggal menghadirkan sumber kesalahan yang serius. Alih-alih meletakkan semua telur Anda dalam satu keranjang, sistem yang lebih efisien adalah memecah pesan dan menyebarkannya ke semua frekuensi (misalnya melalui transformasi seperti Fourier) dan kemudian memasang kembali sinyal hanya di ujung yang lain. Dengan cara ini, bahkan jika frekuensi tertentu terganggu oleh statis, cukup banyak pesan yang akan bertahan untuk menyusun kembali pesan secara akurat melalui rutinitas koreksi kesalahan. Namun, peradaban Tipe 0 mana pun yang mendengarkan pesan pada satu pita frekuensi hanya akan mendengar omong kosong. Dengan kata lain, galaksi kita mungkin dipenuhi dengan pesan dari berbagai peradaban Tipe II dan III, tetapi teleskop radio Tipe 0 kita hanya akan mendengar omong kosong.

Terakhir, ada juga kemungkinan bahwa peradaban Tipe II atau Tipe III mungkin dapat mencapai energi Planck yang terkenal dengan mesin mereka (10^19 miliar elektron volt). Ini adalah energi yang kuadriliun kali lebih besar dari pukulan keras atom kita yang paling kuat. Energi ini, sehebat kelihatannya, (menurut definisi) berada dalam jangkauan peradaban Tipe II atau III.

Energi Planck hanya terjadi di pusat lubang hitam dan saat Big Bang. Tetapi dengan kemajuan terbaru dalam gravitasi kuantum dan teori superstring, ada minat baru di antara fisikawan tentang energi yang begitu luas sehingga efek kuantum merobek struktur ruang dan waktu. Meskipun tidak berarti pasti bahwa fisika kuantum memungkinkan lubang cacing yang stabil, ini meningkatkan kemungkinan kecil bahwa peradaban yang cukup maju mungkin dapat bergerak melalui lubang di ruang angkasa, seperti Alice's Looking Glass. Dan jika peradaban ini berhasil menavigasi melalui lubang cacing yang stabil, maka mencapai impuls spesifik satu juta detik tidak lagi menjadi masalah. Mereka hanya mengambil jalan pintas melalui galaksi. Ini akan sangat mengurangi transisi antara peradaban Tipe II dan Tipe III.

Kedua, kemampuan untuk melubangi ruang dan waktu mungkin akan berguna suatu hari nanti. Para astronom, yang menganalisis cahaya dari supernova yang jauh, baru-baru ini menyimpulkan bahwa alam semesta mungkin mengalami percepatan, bukannya melambat. Jika ini benar, mungkin ada gaya anti-gravitasi (mungkin konstanta kosmologis Einstein) yang melawan gaya tarik gravitasi galaksi-galaksi jauh. Tapi ini juga berarti bahwa alam semesta mungkin mengembang selamanya dalam Big Chill, sampai suhu mendekati nol mutlak. Beberapa makalah baru-baru ini memaparkan seperti apa alam semesta yang suram itu. Ini akan menjadi pemandangan yang menyedihkan: setiap peradaban yang bertahan akan mati-matian meringkuk di sebelah bara sekarat dari bintang neutron dan lubang hitam yang memudar. Semua kehidupan cerdas harus mati ketika alam semesta mati.

Merenungkan kematian matahari, filsuf Bertrand Russel pernah menulis mungkin paragraf yang paling menyedihkan dalam bahasa Inggris: “...Semua kerja keras sepanjang zaman, semua pengabdian, semua inspirasi, semua kecerahan siang hari jenius manusia, ditakdirkan menuju kepunahan dalam kematian besar tata surya, dan seluruh kuil pencapaian Manusia pasti terkubur di bawah puing-puing alam semesta dalam reruntuhan ... "

Hari ini, kita menyadari bahwa roket yang cukup kuat dapat menyelamatkan kita dari kematian matahari kita 5 miliar tahun dari sekarang, ketika lautan akan mendidih dan gunung-gunung akan mencair. Tapi bagaimana kita bisa lolos dari kematian alam semesta itu sendiri?

Astronom John Barrows dari University of Sussex menulis, “Misalkan kita memperluas klasifikasi ke atas ... Anggota dari peradaban hipotetis Tipe IV, V, VI, … dan seterusnya, akan mampu memanipulasi struktur di alam semesta pada skala yang lebih besar dan lebih besar, yang mencakup kelompok galaksi, gugus, dan supergugus galaksi.” Peradaban di luar Tipe III mungkin memiliki energi yang cukup untuk melarikan diri dari alam semesta kita yang sekarat melalui lubang di ruang angkasa.

Terakhir, fisikawan Alan Guth dari MIT, salah satu pencetus teori alam semesta inflasi, bahkan telah menghitung energi yang diperlukan untuk menciptakan bayi alam semesta di laboratorium (suhunya 1.000 triliun derajat, yang berada dalam kisaran peradaban hipotetis ini).

Tentu saja, sampai seseorang benar-benar melakukan kontak dengan peradaban maju, semua ini hanyalah spekulasi yang disesuaikan dengan hukum fisika, tidak lebih dari panduan yang berguna dalam pencarian kami untuk kecerdasan ekstra-terestrial. Tapi suatu hari, banyak dari kita akan menatap ensiklopedia yang berisi koordinat mungkin ratusan planet mirip bumi di sektor galaksi kita. Kemudian kita akan bertanya-tanya, seperti yang dilakukan Sagan, seperti apa peradaban jutaan tahun di depan kita nantinya.