卡尔达舍夫量表是什么?

我们是宇宙中唯一的生物吗?是否有无数有知觉的生命形式在那里等着被发现?我们会不会有一天遇到他们，并能够交流知识?如果我们看到它们，我们能认出它们是智能生命形式吗?或者更糟的是，他们会承认我们是智能生命吗?当谈到天体生物学，在宇宙中寻找生命时，我们不知道会发生什么。因此，对这些问题的推测和理论研究是如此丰富多样!

著名的苏联和俄罗斯天体物理学家和射电天文学家尼古拉·卡尔达舍夫(Nikolai Kardashev, 1932 - 2019)曾进行过这样的研究。1964年，卡尔达舍夫在考虑一个与寻找地外文明(SETI)有关的重要问题时，提出了一个文明发展的分类方案。这就是所谓的卡尔达舍夫量表，它至今仍是SETI中最具影响力的概念之一。

1960年，美国进行了第一次现代探测地外通信的尝试(“奥兹玛计划”)。由被誉为“SETI之父”的德雷克方程的创造者弗兰克·德雷克领导的这项实验，是利用位于西弗吉尼亚州绿岸市的国家射电天文台的射电望远镜进行的。

该实验监测了附近的两颗类太阳恒星——Ceti Tau和Eridani Epsilon——在1420兆赫兹范围内的无线电信号，这相当于星际空间中冷氢气的频率。虽然该项目未能探测到无线电静电以外的任何东西，但奥兹玛为更雄心勃勃的SETI(和METI)努力铺平了道路。它也启发了世界各地的天体物理学家思考未来的调查应该关注什么。

在对外星智慧生物的探索与其说是一门学科，不如说是一项思想实验的时候，苏联物理学家们提出了许多影响深远的思想，这些思想一直延续到今天。其中，尼古拉·卡尔达舍夫(Nikolai Kardashev)是最早和最重要的思想家之一，他的思想仍然是SETI领域的基础。

尼古拉·卡尔达舍夫

卡尔达舍夫在战后长大成人，在约瑟夫·什克洛夫斯基(1916-1985)的指导下学习，他是《宇宙中的智慧生命》(Intelligent Life in the Universe)的著名作者。这本书是第一本关于人类如何在宇宙中寻找有技术能力的生物的专著。什克洛夫斯基的书由卡尔·萨根翻译(并添加)，1966年在西方出版后，成为许多科学家的灵感来源。

在他性格形成的大部分时间里，卡尔达舍夫都是一个人。他的父母都是1937年和38年大清洗的受害者，他被送进了孤儿院。他最终被释放到他的姨妈(他母亲那边)的监护下，她在1948年去世，当时卡尔达舍夫16岁。他的父亲最终被枪杀，而他的母亲在监狱劳改营工作，直到1956年被释放。

一年前，Kadashev毕业于莫斯科国立大学(Moscow State University)，在那里他的研究重点是射电天文学，这在当时是一个新兴领域。后来，他在莫斯科的斯特恩伯格天文研究所(Sternberg Astronomical Institute)工作，并于1962年获得博士学位。卡尔达舍夫早期接触到SETI的基本前提，这使他把他的创造性思维转向如何利用射电天文学来探测非地球上的信号。

他对SETI最早的贡献之一是在1963年，当时卡尔达舍夫正在研究距离地球80亿光年的CTA-102射电源。根据之前的研究，这个物体的强度会发生变化，并发出不规则的辐射。卡尔达舍夫提出的著名观点是，这可能是外星人故意发送密码信息的尝试。

随着天文学家发现CTA-102是一个活动星系核(AGN)，这个理论最终被抛弃。类星体，天文学家知道它的性质是多变的。然而，卡尔达舍夫在一篇论文中分享了这个理论和其他富有想象力的想法，这篇论文使他在天文学中站稳了位置。

量表的诞生

这篇题为《外星文明传递信息》的论文发表于1964年。这篇论文的目的是建议SETI研究人员应该寻找什么样的无线电频率(和能量)。有一种观点认为，也许存在着一些比人类古老数十亿年的文明，有理由认为，这些文明能够利用人类无法利用的能量。

为了描述一个文明发展的潜在水平，卡尔达舍夫提出了一个基于他们可以利用的能源量的三级尺度。这种规模的包括:

卡尔达舍夫还描述了探测到I型、II型或III型文明的几率，以及它们能够传输多少信息。他引用了奥兹玛计划和在美国进行的SETI相关实验的估计，声称探测到第一类文明的可能性极小(尽管它们仍然能够接收通信)。相比之下，第二类或第三类导弹将能够远距离传输相当数量的信息。

根据第二类文明的估计能量传输水平，卡尔达舍夫估计，恒星文明将能够在我们的星系(直径20万光年)中传输相当数量的信息。从距离他们的恒星系统10万光年范围内的3×109比特/秒，到100万光年范围内的3×105比特/秒，这将无法传输超出这一范围的大量信息。

与此同时，III型文明将能够在星系间传输，在半径为10万光年和1000万光年的范围内以2.4×1015和2.4×1013位/秒的速度广播，在半径为100亿光年的范围内以3×1010位/秒的速度广播。

该比额表的影响

对于SETI的研究人员来说，卡尔达谢夫量表为他们应该寻找的技术特征类型(以及相关的能量水平)建立了一些一般约束条件。例如，基于该等级所建立的能量估计，科学家们已经开始理论化一类、二类和三类文明能够利用的技术类型，以及产生的技术特征将是什么。

对于第一类文明来说，如果能够利用4×1019 erg/sec的能量，就意味着能够获得聚变能量和物质反物质湮灭。然而，可再生能源基础设施可能是一个可识别的技术特征。例如，一个天基太阳卫星星座(又名。根据2018年发布的美国宇航局技术签名报告，“克拉克带”(Clarke Belt)将可以用我们现有的仪器探测到。

第二类文明将使用与第一类文明相同的技术，但适用于更大的规模。1960年，物理学家弗里曼·戴森(Freeman Dyson)提出了一个著名的观点，即先进文明可以通过建立一个环绕恒星的巨大卫星系统来利用恒星的能量。这些巨型建筑(通常被称为戴森球体或戴森结构)，戴森说，可以通过寻找大型红外信号——这些巨型建筑产生的热量辐射——来搜索。

也有人建议，第二类文明也有能力“抬星”，在那里他们可以重新定位星星。一种可能的方法是改变戴森结构，称为Shkadov推力器(或恒星引擎)，它将恒星部分包裹起来，利用其辐射力和引力来获得动量，甚至是相对速度(这可能是对一些超速恒星的解释)。

第三类文明也同样有能力进行这些活动，但是在银河系的规模上。也有人提出，银河系文明可以创造出能够实现“星系抬升”的结构，这样做可以抵消宇宙膨胀，并使某些星团紧密地聚集在一起。另一个想法是监测类星体，大型星系的活动星系核(AGN)，以寻找能够利用超大质量黑洞(SMBH)能量的结构迹象。

这可能包括向超大质量黑洞提供物质，并利用它们释放出的辐射，或者只是利用它们已经释放出的能量。后一种情况有两种可能，一种是利用它们的吸积盘(“彭罗斯过程”)的角动量，另一种是捕获它们的超高速射流所产生的热量和能量。

卡尔达舍夫自己提出了如何将广播的估计功率与自然现象区分开来的标准，例如超新星爆炸形成的星云、射电星系或离散射电源的同步辐射。他表示:

然而，就像德雷克方程一样，该量表的科学价值更多的是定性的，而不是定量的，因为它总结了SETI研究人员面临的挑战。与此同时，这一规模也令人鼓舞，因为它表明，在我们的星系中，单一的第二类文明的存在不会永远被忽视。正如卡尔达舍夫在其论文的最后一节所指出的，这一节讨论了他的比额表的影响:

综上所述，卡尔达舍夫估计，先进的文明将能够广播第一类文明(与我们自身的发展水平相当)能够接收到的信号。此外，这些传输将持续广播，以确保他们将被接收-并可能循环，这样接收者不会错过一个节拍!

量表的变化

自卡尔达舍夫的时代以来，对该比额表提出了许多补充和扩展。一些人建议添加属于三个类型之间的分类，而另一些人则建议添加额外的类型。这包括0型(描述前工业文明)和IV型和V型(分别指能够利用整个宇宙甚至宇宙集合的能量的文明)。

其他人则建议使用其他标准重新绘制该比例尺。卡尔·萨根在他的书《宇宙的联系:外星人的视角》中提出，文明可以根据他们的“信息掌握程度”进行分类。也就是说，物种越先进，他们掌握的信息就越多。萨根量表使用字母表作为分类系统，每个字母代表1000万(106)个独特的信息位。

著名的科学传播者、火星协会创始人罗伯特·祖布林提出，文明可以通过“掌握行星”来衡量。在他的著作《进入太空:创造太空文明》中，祖布林描述了一个文明的发展水平是如何与他们成功殖民的行星(或恒星系统)的数量相联系的:

但也许是英国宇宙学家、理论物理学家、数学家、皇家学会研究员约翰·d·巴罗提出了最激进的重新解释。在他1998年出版的《不可能:科学的极限和科学的极限》一书中，巴罗展示了人类的技术进步是如何让我们将对环境的控制扩大到越来越小的范围的。

巴罗提出，更先进的物种会成长起来，利用内部空间的全部力量，而不是用它所控制的外太空的数量来描述一个文明。在此基础上，他创建了所谓的巴罗量表(Barrow Scale)，这是一个由7种类型组成的反向分类:

根据巴罗尺度，先进文明不会专注于要求更多的空间和资源，而是会优化他们已经占据的空间。他们会选择留在太阳系内，利用太阳的能量，而不是探索银河系或更远的地方。其中一种设想是，他们将系统中的所有物质转化为计算机元素，并将其分层排列在恒星周围，从而创造出一个被称为“马托什卡大脑”的巨型结构。

批评

随后的几项研究对卡尔达舍夫量表中的许多假设提出了质疑。其中最重要的是，人们相信，外星智慧生物将被迫在其母星和母星之外的地方殖民。巴罗量表(Barrow Scale)和其他强调“空间优化”而非扩张的研究人员提出的观点对这一观点提出了挑战。

另一个反对卡尔达舍夫尺度的论点是基于缺乏先进文明的可观测证据，特别是第三类文明。既然宇宙已经存在了138亿年，而我们的太阳系只存在了46亿年，那么到目前为止，似乎有一些文明已经能够达到第三类发展水平了。

即使我们的手段有限，人类也很难不察觉到这种文明的迹象。我们还没有发现这一事实说明我们要么是:

唯一的其他可能性是还没有出现，或者没有人在那里。前一种观点是由卡尔·萨根(Carl Sagan)和威廉·i·纽曼(William I. Newman)在他们1981年的研究《银河系文明:人口动态和星际扩散》(Galactic civilization: Population dynamics and interstellar diffusion)中提出的，他们大胆地认为，这可能表明，在我们的银河系中，高级生命可能是在较近的过去出现的。

另一种批评与文明会在银河系范围内扩张的观点有关。杰弗里·a·兰迪斯(Geoffrey a . Landis)在他1993年的论文《费米悖论:基于渗透理论的方法》(The Fermi paradox: an approach based on percolation theory)中对这种可能性进行了详细的探索。他在论文中认为，相对论性宇宙施加的限制意味着，外星文明在整个星系中只能扩张这么远。

正如兰迪斯所说，文明会向外“渗透”，而不是不断地、迅速地向外殖民。他还大胆地提出，并非所有物种都会选择这条路:

考虑到到达最近的恒星所需要的时间和能量，以及发送信息的延迟，我们有理由假设一些物种会选择放弃星际扩张!2019年，美国国家航空航天局(NASA)系外行星系统科学研究所(NExSS)的亚当·弗兰克教授和一组系外行星研究人员也提出了类似的观点，着眼于太空旅行和在外星世界定居的危险。

在一项名为“费米悖论和极光效应”的研究中:Exo-civilization结算、扩张和稳定状态”——这本书的灵感来自极光由金·斯坦利·罗宾逊(2015年发布)-弗兰克和他的同事们认为,解决集群星系会发生的,因为并非所有可能适合人类居住的行星是好客的人类或其他外星生命形式。

另一个批评是卡尔达舍夫原始研究中提出的另一个主要假设。这是一种信念，即先进的文明会被激励去传播他们的存在以造福其他物种。“首先，”卡尔达舍夫写道，“我们在这里假设，这种交流努力的主要任务之一，就是把信息从一个高度发达的文明传递给一个不那么发达的文明。”

研究人员和SETI科学家们已经详细地探讨了高级智能可能会被完全相反的动机(消除潜在的竞争、恐惧、仇外心理等)所驱使的可能性。例子包括狂战士假说，黑暗森林假说，以及对“伟大过滤器”的各种解释，即对自我保护或统治的渴望驱动着星际间的交流或扩张。

这种担忧已经在地外文明信息(METI)的背景下提出，它已经成为一个与SETI截然不同的领域。考虑到哪怕是一个敌对的先进文明存在的可能性，人类向宇宙传播自己的存在是明智的吗?此外，其他智能生命是否在很久以前就得出了同样的结论，这就是为什么“大沉默”一直存在?

研究人员也提出了类似的担忧，他们认为外星传播可能是一种威胁。在地球上，政府经常对其他政府进行网络攻击，以获取信息或破坏重要的基础设施。同样，黑客利用电脑病毒、网络钓鱼、诈骗等手段，鼓励用户分享个人信息。

有没有可能外星文明(甚至是团体和个体的有情生物)正在发送装载病毒的信息，以破坏我们的基础设施或以某种方式欺骗我们?

在卡尔达舍夫首次发表他的开创性论文几十年后，学者、科学家和普通人都在引用、引用或试图扩展他著名的尺度。虽然他提出的一些假设和估计多年来一直受到批评，但从卡尔达舍夫量表(Kardashev Scale)这样的基础数据来看，这是可以预料的。正如祖布林所说，这一理论是在“人造卫星时代”提出的，当时人类的太空探索刚刚起步，几乎还不能行走。

就像SETI领域的许多其他基础理论一样，比如费米悖论和德雷克方程，卡尔达谢夫尺度仍然存在，因为它提供了新的见解。简而言之，卡尔达舍夫是最早提出人类如何在宇宙中找到外星人证据的人之一。它的影响也可以从它如何帮助构建自ETI以来发生的每一次讨论，以及我们如何在某一天实现“第一次接触”中看到。

作为遗产，尼古拉·卡尔达舍夫和以他的名字命名的磅秤在SETI和天体物理学的编年史上几乎是无与伦比的。

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