La física de las civilicaciones extraterrestres

Hace unos meses tuve la suerte de descubrir, gracias a Astroseti, algunos artículos del Dr. Micho Kaku.

Astroseti es una página que se dedica a la traducción de noticias y artículos de caracter científico, con noticias muy interesantes y que realmente merece la pena leer.

El Dr. Michio Kaku nació el 24 de enero de 1947 en EEUU. El Dr. Kaku se graduó summa cum laude en la Universidad de Harvard y fue el primero en su clase de física. En 1972 fue al Laboratorio de Radiación de Berkeley y en 1973 obtuvo una plaza de conferencista en Princeton. Actualmente ocupa el Profesorado Henry Semat de Física Teórica en la Universidad de la Ciudad de Nueva York, donde lleva enseñando 25 años.

A continuación pongo una traducción de uno de sus artículos, concretamente "La física de las civilizaciones extraterrestres", que encontré parcialmente traducido en Astroseti, y de la que he completado la traducción. El artículo original se puede leer, junto con más artículos muy interesantes en la página del Dr. Kaku.

La física de las civilizaciones extraterrestres.

¿Cuán avanzados pueden estar?
Por Dr. Michio Kaku

Una vez Carl Sagan hizo la siguiente pregunta: ¿Qué significa para una civilización tener un millón de años? Nosotros tenemos radiotelescopios y naves espaciales desde hace unas pocas décadas; la tecnología de nuestra civilización tiene tan sólo unos cientos de años... Una civilización de millones de años de antig&w7w-edad está mucho más avanzada de nosotros de lo que nosotros lo estamos de un pequeño arbusto o de un macaco."

Aunque cualquier conjetura sobre tan avanzadas civilizaciones es un problema de pura especulación, se pueden utilizar las leyes de la física para marcar unos límites superiores e inferiores para estas civilizaciones. En particular, ahora que las leyes de la Teoría cuántica de campos, la relatividad general, la termodinámica , etc. están bien establecidas, la física puede imponer unos límites físicos que limiten los parámetros de estas civilizaciones.

Esta cuestión ya no es más un asunto de especulación estéril. Pronto, la humanidad puede enfrentar un choque existencial a medida que la actual lista de una docena de planetas extrasolares del tamaño de Júpiter aumente hasta llegar a cientos de planetas de tamaño terrestre, gemelos casi idénticos de nuestra patria celestial. Esto puede hacernos pasar a una nueva era en nuestra relación con el universo. Nunca volveremos a ver el cielo nocturno de la misma forma, comprendiendo que los científicos pueden eventualmente compilar una enciclopedia identificando las coordenadas precisas de quizás cientos de planetas parecidos a la Tierra.

Hoy en día, cada pocas semanas llegan noticias del descubrimiento de un nuevo planeta extra-solar del tamaño de Júpiter, y el último de ellos se encuentra a unos 15 años luz de distancia, orbitando alrededor de la estrella Gliese 876. El más espectacular de estos descubrimientos fue fotografiado por el Telescopio Espacial Hubble, que capturó imágenes sobrecogedoras de un planeta a 450 años luz de distancia mientras era catapultado hacia el espacio por un sistema doble de estrellas.

Pero lo mejor está todavía por llegar. A principios de la próxima década, los científicos lanzarán una nueva clase de telescopio, el telescopio espacial de interferometría, que utiliza la interferencia de los haces de luz para aumentar la resolución de los telescopios.

Por ejemplo, la Misión de Interferometría Espacial (SIM = Space Interferometry Mission), que será lanzada a principios del próximo decenio, consistirá en múltiples telescopios ubicados a lo largo de una estructura de 10 metros. Con una resolución sin precedentes, que se aproximará a los límites físicos de la óptica, SIM es tan sensible que casi desafía a la credulidad: ¡orbitando alrededor de la Tierra, podrá detectar una linterna que sea movida por un astronauta en Marte!.

SIM, a su vez, pavimentará el camino para el Buscador de Planetas Terrestres (TPF =Terrestrial Planet Finder), que será lanzado a fines de la próxima década y que debería identificar aún más planetas tipo Tierra. Examinará las 1.000 estrellas más brillantes dentro de un radio de 50 años luz de la Tierra, y se focalizará en los 50 o 100 sistemas planetarios más brillantes.

Todo ésto, a su vez, estimulará un esfuerzo activo para determinar si alguno de ellos cobija vida, quizás alguno con civilizaciones más avanzadas que la nuestra.

Aunque es imposible predecir los rasgos precisos de tales civilizaciones avanzadas, sus aspectos generales pueden ser analizados utilizando las leyes de la física. No importa cuántos millones de años nos separen de ellos, aún así deberán obedecer las leyes de hierro de la física, que están ahora lo suficientemente avanzadas como para explicar todo, desde las partículas sub-atómicas hasta las estructuras a gran escala del universo, a través de unos asombrosos 43 órdenes de magnitud.

Específicamente, podemos catalogar a las civilizaciones por su consumo de energía, utilizando los principios siguientes:

1. Las leyes de la termodinámica. Aún una civilización avanzada está atada por las leyes de la termodinámica, especialmente la Segunda Ley, y puede entonces ser catalogada por la energía a su disposición.
2. Las leyes de la materia estable. La materia bariónica (es decir, la basada en protones y neutrones) tiende a unirse en tres grandes grupos: planetas, estrellas y galaxias (ésto es un bien definido sub-producto de la evolución estelar y galáctica, la fusión termonuclear, etc.). Por lo tanto, esta energía también estará basada en tres tipos distintos, lo que pone límites superiores en su tasa de consumo de energía.
3. Las leyes de evolución planetaria. Cualquier civilización avanzada debe crecer en su consumo de energía más rápidamente que la frecuencia de catástrofes que amenacen la vida (por ejemplo, los impactos meteóricos, las edades de hielo, las supernovas, etc.). Si crecen más lentamente, están condenadas a la extinción. Esto pone límites matemáticos a la tasa de crecimientos de estas civilizaciones.

En un artículo fundamental publicado en 1964 en la Revista de Astronomía Soviética (Journal of Soviet Astronomy), el astrofísico ruso Nicolai Kardashev teorizó que las civilizaciones avanzadas debían entonces ser agrupadas en tres tipos: Tipo I, II y III, que han dominado respectivamente las formas de energía planetaria, estelar y galáctica. Calculó que el consumo de energía de estos tres tipos de civilización estaría separados por un factor de muchos miles de millones. Pero, ¿cuánto tiempo le llevaría a una civilización convertirse en una civilización de Tipo II o Tipo III? Menos de lo que podríamos pensar.

El astrónomo de Berkeley Don Goldsmith nos recuerda que la Tierra recibe aproximadamente un milmillonésimo de la energía del Sol, y que los humanos utilizamos aproximadamente un millonésimo de éso. Así que consumimos aproximadamente un milbillonésimo de la energía total del Sol. En el presente, nuestra producción energética planetaria total es de unos 10 trillones (10^19) de ergios por segundo. Pero nuestro crecimiento energético está creciendo exponencialmente, y por lo tanto podemos calcular cuánto tomará para alcanzar los estadios Tipo II o III.

Goldsmith dice: "Vean cuán lejos hemos llegado en el uso de la energía desde que descubrimos cómo manipularla, cómo hacer que funcionaran realmente los combustibles fósiles, y cómo crear energía eléctrica a partir de la energía hidráulica, etc.; hemos aumentado los usos de la energía en cantidades notables en apenas un par de siglos, comparados con los miles de millones de años que ha estado aquí nuestro planeta... y esto mismo puede ser aplicado a otras civilizaciones".

El físico Freeman Dyson del Instituto de Estudios Avanzados estima que, dentro de unos 200 años más o menos, deberíamos alcanzar el estadio Tipo I. De hecho, creciendo a una tasa modesta del 1% anual, Kardashev estimó que tomaría solamente 3.200 años el alcanzar el estadio Tipo II, y 5.800 años para alcanzar el estadio Tipo III.

Por ejemplo, una civilización Tipo I es una realmente planetaria, que ha dominado la mayor parte de las formas planetarias de energía. Su producción energética debe estar en el orden de miles de millones de veces nuestra producción actual. Mark Twain dijo una vez: "Todos se quejan acercal del tiempo, pero nadie hace nada sobre ello". Esto podría cambiar con una civilización Tipo I, que cuenta con la energía suficiente como para modificar el clima. También tendrá energía suficiente como para alterar el curso de los terremotos y de los volcanes, y como para construir ciudades en sus océanos.

Por ahora, nuestra producción de energía nos califica para el estadio Tipo 0. Derivamos nuestra energía no del dominio de fuerzas globales, sino de la combustión de plantas muertas (es decir, del carbón y del petróleo). Pero ya mismo podemos ver las semillas de una civilización Tipo I. Vemos el comienzo de un lenguaje planetario (el inglés), un sistema planetario de comunicación (internet), una economía planetaria (el forjado de la Unión Europea), y aún los comienzos de una cultura planetaria (a través de los medios masivos, la TV, la música rock, y los filmes de Hollywood).

Por definición, una civilización avanzada debe crecer más rápidamente que la frecuencia de las catástrofes que amenazan la vida. Dado que los impactos de grandes cometas o meteoros tienen lugar una vez cada pocos miles de años, una civilización Tipo I debe dominar el viaje espacial para desviar los escombros espaciales dentro de ese marco temporal, lo que no debería ser un gran problema. Las edades de hielo tienen lugar en una escala de tiempo de decenas de miles de años, así que una civilización Tipo I debe aprender a modificar el clima dentro de ese marco temporal.

Las catástrofes artificiales e internas también deben ser solucionadas. Pero el problema de la polución global es mortal solamente para una civilización Tipo 0; una civilización Tipo I ha vivido por varios milenios como una civilización planetaria, adquiriendo necesariamente un balance ecológico planetario. Los problemas internos como las guerras son una amenaza seria y recurrente, pero ellos habrán tenido miles de años para resolver los conflictos raciales, nacionales y sectarios.

Eventualmente, luego de varios miles de años, una civilización Tipo I habrá consumido la energía de un planeta, y obtendrá entonces su energía consumiendo la producción energética total de su sol, o sea aproximadamente mil quintillones (10^33) de ergios por segundo.

Con su producción de energía comparable a la de una pequeña estrella, deberían ser visibles desde el espacio. Dyson ha propuesto que una civilización Tipo II puede incluso construir una esfera gigantesca alrededor de su estrella, de forma de utilizar más eficazmente su generación energética total. Aún si intentaran ocultar su existencia, deberían, por la Segunda Ley de la Termodinámica, emitir calor como desecho. Desde el espacio exterior, su planeta debería brillar como los ornamentos de un árbol de navidad. Dyson ha propuesto incluso buscar específicamente emisiones infrarrojas (más que las de radio y televisión) para identificar estas civilizaciones Tipo II.

Quizás la única amenaza seria para una civilización Tipo II sería una cercana explosión supernova, cuya súbita ocurrencia podría abrasar su planeta en una destructora emisión de rayos-X, matando a todas las formas de vida. De modo que quizás la civilización más interesante sea la Tipo III, puesto que realmente sería inmortal. Habrían consumido la energía de una simple estrella, y se habrían extendido hacia otros sistemas estelares. No existe ninguna catástrofe natural conocida por la ciencia que sea capaz de destruir a una civilización Tipo III.

Enfrentada a una supernova vecina, tendría varias alternativas, tales como alterar la evolución de una estrella gigante roja moribunda que estuviera a punto de estallar, o abandonar este sistema estelar en particular y terraformar otro sistema planetario vecino.

Existen bloqueos en la ruta de una civilización emergente Tipo III. Eventualmente, choca con otra ley de hierro de la física: la teoría de la relatividad. Dyson estima que ésto podría retrasar la transición hasta una civilización Tipo III quizás hasta en millones de años.

Pero aún con la barrera de la luz, existe un número de formas de expandirse a velocidades cercanas a la de la luz. Por ejemplo, la capacidad última de los cohetes se mide en algo llamado "impulso específico" (definido como el producto del empuje y de la duración, medida en unidades de segundos). Los cohetes químicos pueden alcanzar impulsos específicos de varios centenares o incluso de varios miles de segundos. Los motores iónicos pueden obtener impulsos específicos de decenas de miles de segundos. Pero para alcanzar una velocidad cercana a la de la luz, es necesario lograr un impulso específico de unos 30 millones de segundos, lo que está muy lejos de nuestra capacidad actual, pero no lo estaría para una civilización Tipo III. Una variedad de sistemas de impulsión estaría disponible para sondas de velocidad sub-lumínica (tales como motores de fusión, motores fotónicos, etc.).

Ya que las distancias entre las estrellas son tan grandes, y de un número tan enorme, además de haber un gran número de sistemas solares sin vida, una civilización de Tipo III se enfrentaría a la siguiente cuestión. ¿Cuál será el método más eficiente matemáticamente para explorar los cientos de miles de millones de estrellas de la galaxia?

En la ciencia-ficción, la búsqueda de mundos habitables ha sido inmortalizada en la TV por heroicos capitanes que comandan valientemente una solitaria nave estelar, o como los asesinos Borg, una civilización Tipo III que absorbe civilizaciones inferiores Tipo II (tales como la de la Federación). Sin embargo, el método matemáticamente más eficiente para explorar el espacio es mucho menos elegante o sofisticado: enviar flotas de "sondas Von Neumann" a través de la galaxia (llamadas así por John Von Neumann, quien estableció las leyes matemáticas de los sistemas auto-replicadores).

Una Sonda Von Neumann es un robot diseñado para alcanzar sistemas estelares distantes y crear fábricas que reproducirán miles de copias de ellas mismas. El destino ideal de una sonda Von Neumann sería una luna muerta, más que un planeta, puesto que podrán aterrizar y despegar fácilmente de ellas, y también porque esas lunas no tendrían erosión. Estas sondas vivirían del terreno, utilizando los depósitos naturales de hierro, níquel, etc., para crear los ingredientes básicos con los que construir una fábrica de robots. Podrían crear miles de copias de sí mismas, lo que luego haría que se diseminaran y buscaran por otros sistemas estelares.

En forma parecida a la que un virus coloniza un cuerpo que tiene muchas veces su tamaño, eventualmente habría una esfera de miles de billones de sondas Von Neumann expandiéndose en todas direcciones, creciendo a una fracción de la velocidad de la luz. De esta forma, aún una galaxia de 100.000 años luz de diámetro sería analizada en, digamos, medio millón de años.

Si una sonda Von Neumann hallara solamente evidencia de vida primitiva (tal como una civilización salvaje e inestable Tipo 0), podría simplemente permanecer adormecida en la luna, esperando silenciosamente a que la civilización Tipo 0 evolucionara hasta ser una civilización estable Tipo I. Luego de esperar tranquilamente por varios milenios, podría ser activada cuando la emergente civilización Tipo I hubiera avanzado lo suficiente como para establecer una colonia lunar. El físico Paul Davies de la Universidad de Adelaida ha propuesto incluso la posibilidad de que una sonda Von Neumann estuviera descansando en nuestra propia luna, un remanente de una visita previa a nuestro sistema, hace millones de años.

Si esto suena familiar, es a causa de que es la base de la película "2001". Originalmente, Stanley Kubrick comenzó el filme con una serie de científicos explicando como sondas como éstas serían el método más eficiente para explorar el espacio exterior. Desafortunadamente, a último minuto, Kubrick cortó el segmento de apertura de su película, y los monolitos se convirtieron en entidades casi místicas.

Desde que Kardashev dió el ranking de civilizaciones original, ha habido varios desarrollos científicos que refinan y extienden el análisis original, como los recientes descubrimientos en nanotecnología, biotecnología, física cuántica, etc.

Por ejemplo la nanotecnología podría facilitar el desarrollo de sondas Von Neumann. Como el físico Richard Feynman observó en su ensayo , "Hay un montón de sitio ahí abajo", no hay ninguna ley de la física que niegue la posibilidad de construir ejércitos de máquinas del tamaño de una molécula. Actualmente los científicos ya han construido curiosidades de tamaños atómicos, como un ábaco atómico o una guitarra con cuerdas de unos cien átomos de largo.

Paul Davies especula que una civilización podría usar nanotecnología para construir sondas en miniatura para explorar la galaxia, quizá no mayores que la palma de la mano. Davies dijo, "Las pequeñas sondas de las que estoy hablando serán tan discretas que no sería una sorpresa que nos hubiera llegado alguna. No es el tipo de cosa que vayas a llevar al patio trasero. Así que si esta es la forma en la que la tecnología se desarrolla, a saber, más pequeña, más rápida y más barata, y si otras civilizaciones han seguido este camino, entonces podríamos estar rodeados por unidades de vigilancia."

Además, el desarrollo de la biotecnología ha abierto un nuevo campo de posibilidades. Estas sondas podrían actuar como formas de vida, reproduciendo su información genética, mutando y evolucionando en estapa de reproducción para mejorar sus capacidades, y podrían tener inteligencia artificial para acelerar su búsqueda.

También la teoría de la información modifica el analisis original de Kardashev. El actual proyecto SETI tan sólo escanea unas pocas frecuencias de radio y emisiones de televisión enviadas por una civilización de Tipo 0, pero quizás no una civilización avanzada. Debido a la enorme estática encontrada en el espacio profundo, la difusión de señales en una única frecuencia presenta una seria fuente de error. En lugar de poner todos tus huevos en una cesta, un sistema más eficiente sería dividir el mensaje y enviarlo por todas las frecuencias (por ejemplo a través de una Transformada de Fourier) y reensamblar la señal completa al final. De esta forma, incluso si algunas frecuencias son interrumpidas por la estática, la parte suficiente del mensaje sobrevivirá para poder reensamblar el mensaje correctamente utilizando rutinas de corrección de errores. Sin embargo, cualquier civilización de Tipo 0 escuchando en una única banda de frecuencia sólo oiría cosas sin sentido. En otras palabras, nuestra galaxia podría podría estar llena de transmisiones de civilizaciones de Tipo II o Tipo III, pero nuestros radiotelescopios de Tipo 0 sólo oiría cosas sin sentido.

Existe también la posibilidad de que una civilización Tipo II o Tipo III pudiera ser capaz de alcanzar la fabulosa energía de Plank con sus máquinas (10^19 miles de millones de electrón-voltios). Esta energía es un trillón de veces mayor que nuestro más poderoso acelerador de átomos. Esta energía, tan fantástica como pueda parecer, está (por definición) dentro de las posibilidades de una civilización Tipo II o Tipo III.

La energía de Planck ocurre solamente en el centro de los agujeros negros y en el instante del Big Bang. Pero con los recientes avances en la gravedad cuántica y en la teoría de las supercuerdas, hay un renovado interés entre los físicos sobre energías tan enormes que los efectos cuánticos destrozan el tejido del espacio y del tiempo. Aunque no es nada seguro que la física cuántica permita agujeros de gusano que sean estables, ésto genera la remota posibilidad de que una civilización suficientemente adelantada pueda ser capaz de trasladarse a través de agujeros en el espacio, como en el caso del Espejo de Alicia. Y si estas civilizaciones pueden navegar con éxito a través de agujeros de gusano estables, entonces el lograr un impulso específico de millones de segundo dejaría de ser un problema. Sencillamente tomarían un atajo a través de la galaxia. Ésto acortaría grandemente la transición de una civilización Tipo II a una Tipo III.

En segundo lugar, la capacidad de abrir agujeros en el espacio y en el tiempo podría estar a mano algún día. Los astrónomos, analizando la luz de supernovas distantes, han concluido recientemente que el universo puede estar acelerando, en lugar de estar frenando. Si esto es verdad, podría haber una fuerza anti-gravitatoria (quizás la constante cosmológica de Einstein) que esté actuando contra la gravedad de las galaxias distantes. Pero éso también significaría que el universo podría expandirse para siempre hacia un Gran Frío, hasta que las temperaturas se aproximen al cero absoluto. Varios artículos han mostrado recientemente cómo luciría un universo desagradable como ése. Sería una visión lamentable: cualquier civilización que sobreviviera estaría desesperadamente abrazada a las mortecinas brasas de las agonizantes estrellas neutrónicas y de los agujeros negros. Toda vida inteligente debe morir, cuando el universo muere.

Contemplando la muerte del Sol, el filósofo Bertrand Russel escribió el que quizás sea el párrafo más deprimente de la lengua inglesa: "... Todos los trabajos de edades, toda la devoción, toda la inspiración, toda la brillantez del genio humano, está destinada a la extinción en la vasta muerte del sistema solar, y el templo de los logros de los hombres será inevitablemente enterrado bajo las ruinas de un universo en ruinas..."

Hoy nos damos cuenta de que unos cohetes suficientemente potentes nos alejarían de la muerte de nuestro Sol dentro de 5000 millones de años, cuando los océanos entren en ebullición y las montañas caigan. Pero, ¿cómo escaparemos de la muerte del Universo?

El astrónomo John Barrows de la Universidad de Sussex escribe: "Supongamos que extendemos la clasificación más hacia arriba. Los miembros de estas civilizaciones hipotéticas Tipos IV, V, VI... y así en más, serían capaces de manipular las estructuras del universo en escalas cada vez más grandes, comprendiendo a grupos de galaxias, racimos, y súper-racimos de galaxias". Las civilizaciones que estén más allá del Tipo III pueden llegar a tener la suficiente energía como para escapar de nuestro universo agonizante a través de agujeros en el espacio.

Finalmente, el físico Alan Guth del MIT, uno de los creadores de la teoría del universo inflacionario, ha incluso computado la energía necesaria para crear un universo bebé en el laboratorio: la temperatura es de un billón (10^12) de grados, lo que estaría dentro del rango de estas civilizaciones hipotéticas.

Por supuesto, hasta que alguien entre en contacto con una de estas civilizaciones avanzadas, todo este montón de especulaciones marcado por las leyes de la física, no son más que una útil guía en nuestra búsqueda de inteligencia extraterrestre. Pero un día, algunos de nosotros mantendremos la mirada fija en una enciclopedia que contendrá las coordenadas de quizá cientos de planetas similares a la Tierra en nuestro sector de la galaxia. Entonces podremos saber, como dijo Sagan, cómo sería una civilización que esté millones de años por delante de la nuestra...

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