SchläferWarum eine Zivilisation auf ein kälteres Universum warten könnte

Rechnen ist in der Kälte billiger, also könnte eine Zivilisation schlafen. Diese Seite behandelt das Landauer-Prinzip, die kosmische Temperatur und die Hypothese des Sommerschlafs.

Die Mindestenergie, die zum Löschen eines Bits an Information nötig ist, ist proportional zur Temperatur: je kälter, desto billiger. 2017 nutzten Anders Sandberg, Stuart Armstrong und Milan Ćirković das, um die „Aestivation-Hypothese“ vorzuschlagen. Eine Zivilisation, die ihre Energie für die sehr kalte ferne Zukunft aufspart, könnte etwa 10³⁰-mal mehr rechnen, und wir sehen keine Außerirdischen, weil sie schlafen. Der Kanal „Schläfer“ im Spiel macht aus dieser Hypothese eine Geschichte.

Diese Seite behandelt zuerst die Physik hinter der Hypothese, dann das Argument dagegen, skizziert danach das Szenario des Spiels und listet verwandte reale Forschung auf. Die Hypothese ist umstritten. Sie ist keine anerkannte Schlussfolgerung.

Temperatur und Rechnen

2,7 K: Der kosmische Mikrowellenhintergrund hat heute etwa 2,725 K. In einer Zukunft, die von dunkler Energie beherrscht wird, verdoppelt sich die Größe des Universums etwa alle 12 Milliarden Jahre, und die Hintergrundtemperatur halbiert sich mit.
Landauer-Prinzip: 1961 zeigte Rolf Landauer, dass das Löschen von 1 Bit mindestens kT·ln2 Wärme freisetzen muss, eine niedrigere Temperatur ist also billiger. Ein Experiment von 2012 fing mit einem Laser ein winziges Glaskügelchen ein und maß diese Grenze zum ersten Mal.
Bumerangnebel: Der kälteste bekannte natürliche Ort ist der Bumerangnebel mit etwa 1 K, kälter als der kosmische Hintergrund. Das von einem sterbenden Stern ausgeblasene Gas dehnte sich so schnell aus, dass es sich selbst abkühlte.
Temperaturuntergrenze: Das Universum kühlt nicht ewig weiter ab. Ein sich beschleunigendes Universum hat einen Horizont, und der Horizont selbst hat eine Temperatur von etwa 10⁻³⁰ K, wie Gibbons und Hawking 1977 berechneten.

Warum „schlafen“

„Aestivation“ bedeutet ursprünglich Sommerruhe. Afrikanische Lungenfische graben sich in der Trockenzeit in den Schlamm ein, hüllen sich in Schleim und fahren ihren Stoffwechsel sehr weit herunter. So können sie mehrere Jahre schlafen, bis der Regen zurückkehrt. Die Hypothese leiht sich das Wort.

Um auf ein kälteres Universum zu warten, musst du zuerst deine Ressourcen festhalten. Wenn ein Stern Wasserstoff zu Helium fusioniert, werden nur etwa 0,7 % der Masse zu Energie, und das meiste zerstreut sich als Sternenlicht in den Raum. Das ist das Motiv zum Horten. Ein Schwarzes Loch von einer Sonnenmasse hat eine Hawking-Temperatur von nur etwa 6×10⁻⁸ K, weit kälter als der heutige kosmische Hintergrund. Solange der Hintergrund nicht darunter fällt, verdampft es nicht. Es nimmt stattdessen langsam Hintergrundstrahlung auf und könnte so als Lager dienen.

Schlafen bedeutet nicht, dass das Rechnen völlig aufhört. Solange keine Information gelöscht wird, kann Rechnen im Prinzip fast ohne Energie auskommen. Das nennt man reversibles Rechnen, und Charles Bennett bewies es 1973.

Die Widerlegung: kein Grund zu warten

2019 widersprachen Charles Bennett, Robin Hanson und Cameron Riedel. Das Universum ist voller „kalter Reservoirs“ weit vom Gleichgewicht, in die sich Entropie schon jetzt abführen lässt, ohne dass man auf das Abkühlen des Universums warten müsste. Warten lohnt sich erst, nachdem eine Zivilisation alle Materie aufgebraucht hat.

Die Idee im Spiel

Was folgt, ist Spielfiktion. Den Kanal findest du, indem du im Kanal der Schwarzen Wolke fragst „Wo sind sie?“, oder indem du „Entartete Ära“ im Baum des Jenseits freischaltest. Im Szenario findet der Beobachter am Rand der Lokalen Gruppe eine ungewöhnlich kalte, ungewöhnlich geordnete Struktur. Sehr viel Materie ist dort zusammengetragen. Sie glimmt kaum und gibt keine Wärme ab. Sie schläft.

Die Mechanik ist das Warten auf das Abkühlen des Universums. Dieser Kanal läuft nach einer kosmischen Uhr: Alle 2 Stunden echter Zeit halbiert sich die Hintergrundtemperatur (im echten Universum etwa 12 Milliarden Jahre). Im Schlaf speichern sie nur Energie. Wenn du sie weckst, wird die gespeicherte Energie bei der aktuellen Temperatur in „Bits“ umgewandelt, und sie denken wach bei dieser Temperatur weiter. Je später du sie weckst, desto mehr bekommst du. Um ein kälteres Universum zu nutzen, lässt du sie weiterschlafen. Das Szenario hat auch eine Nachtwache: Einige Wächter bleiben wach und passen für die anderen auf das Universum auf. Der Kanal hat zwei Enden: Sie wachen im kältesten Moment auf, oder einige der Schläfer wachen früh auf und denken gemeinsam mit der Hauptzivilisation. All das ist Fiktion.

Zwei verwandte Romane

Die letzte Frage (Isaac Asimov, 1956): Für den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik ist keine Ausnahme bekannt, und der Wärmetod des Universums gehört zu den gängigen Vorhersagen. In der Geschichte fragen Menschen über Generationen einen immer mächtigeren Computer, ob sich die Zunahme der Entropie umkehren lässt. Jedes Mal antwortet er „Unzureichende Daten für eine sinnvolle Antwort“, bis zum letzten Moment des Universums.
Die Schwarze Wolke (Fred Hoyle, 1957): Hoyle war ein echter Astrophysiker. Interstellare Wolken enthalten tatsächlich komplexe organische Moleküle, und mehrere wurden in Sagittarius B2 gefunden.

Reale Grundlage

2,7 K: Die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung hat heute etwa 2,725 K. In der von Dunkler Energie beherrschten Zukunft verdoppelt sich die Größe des Universums etwa alle 12 Milliarden Jahre, und die Hintergrundtemperatur halbiert sich mit.
Landauer-Prinzip: 1961 zeigte Landauer, dass das Löschen von 1 Bit Information mindestens kT·ln2 Wärme freisetzt; je niedriger die Temperatur, desto billiger. Ein Experiment von 2012 mit einem kleinen, von Laserlicht gehaltenen Glaskügelchen maß diese Grenze zum ersten Mal.
Bumerangnebel: Der kälteste bekannte natürliche Ort ist der Bumerangnebel mit etwa 1 K, kälter als der kosmische Hintergrund: Das von einem sterbenden Stern ausgestoßene Gas dehnte sich so schnell aus, dass es sich selbst abkühlte.
Sommerschlaf: „Aestivation“ bedeutet ursprünglich Sommerschlaf. Afrikanische Lungenfische graben sich in der Trockenzeit in den Schlamm, hüllen sich in Schleim, senken ihren Stoffwechsel stark ab und können so mehrere Jahre schlafen, bis der Regen zurückkehrt.
10³⁰-fach: 2017 schlugen Sandberg, Armstrong und Ćirković die „Aestivationshypothese“ vor: Spart man Energie für die sehr kalte ferne Zukunft, könnte die mögliche Rechenleistung etwa 10³⁰-mal größer sein. Deshalb sehen wir keine Außerirdischen: Sie schlafen.
Temperaturuntergrenze: Das Universum kühlt nicht ewig weiter ab. Ein sich beschleunigt ausdehnendes Universum hat einen Horizont, und der Horizont selbst hat eine Temperatur von etwa 10⁻³⁰ K, wie Gibbons und Hawking 1977 berechneten.
Horten: Wenn ein Stern Wasserstoff zu Helium verbrennt, wird nur etwa 0,7 % der Masse zu Energie, und das meiste zerstreut sich als Sternenlicht in den Raum.
Kein Warten nötig: 2019 widersprachen Bennett, Hanson und Riedel: Das Universum ist voller Gleichgewichtsferne „kalter Reservoirs“, in die man Entropie schon jetzt abladen kann, ohne auf die Abkühlung des Universums zu warten; Warten lohnt sich erst, wenn eine Zivilisation alle Materie genommen hat.
Schwarzlochspeicher: Ein Schwarzes Loch von einer Sonnenmasse hat eine Hawking-Temperatur von nur etwa 6×10⁻⁸ K, weit kälter als der heutige kosmische Hintergrund. Solange der Hintergrund nicht kälter ist, verdampft es nicht, sondern nimmt langsam Hintergrundstrahlung auf.
Träume mit wenig Energie: Solange keine Information gelöscht wird, kann Rechnen im Prinzip fast keine Energie kosten. Das heißt reversibles Rechnen. Bennett bewies es 1973.
Die letzte Frage: In Asimovs Erzählung „Die letzte Frage“ von 1956 fragen die Menschen den Computer Generation um Generation: Lässt sich die Entropie umkehren?
Die letzte Frage (Isaac Asimov, 1956), die Wissenschaft: Für den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik ist keine Ausnahme bekannt; der Wärmetod gehört zu den führenden Vorhersagen für das Universum.
Die schwarze Wolke (Fred Hoyle, 1957), die Wissenschaft: Hoyle war ein echter Astrophysiker. Interstellare Wolken enthalten tatsächlich komplexe organische Moleküle; mehrere Arten wurden in Sagittarius B2 gefunden.

Spielfiktion (erfunden)

Knoten „Vorräte anlegen“: Sie sammeln Materie zusammen, damit die Sterne sie nicht umsonst verbrennen.
Knoten „Kein Warten nötig“: Nach der Freischaltung beträgt die Umwandlungsrate beim Wecken mindestens das 8-Fache.
Knoten „Nachtwache“: Nicht alle von ihnen schlafen. Ein paar Wächter bleiben wach und hüten das Universum für die anderen, damit niemand seine Ressourcen verschwendet.
Knoten „Träume mit wenig Energie“: Im Schlaf träumen sie umkehrbare Träume und reihen auf, was sie nach dem Aufwachen berechnen müssen.
Knoten „Die letzte Frage“: Die Nachtwache beantwortete eine Frage der Hauptzivilisation.
Knoten „Erwachen“: …
Kanal-Ende „Die kälteste Stunde“: Sie erwachen in der kältesten Stunde des Universums. Bis dahin sind die Sterne erloschen, und jede Galaxie ist hinter den Horizont gewichen. Sie erwachen im Dunkeln und beginnen über Fragen nachzudenken, die sie sich Billionen von Jahren aufgespart haben.
Kanal-Ende „Kein Warten nötig“: Einige der Schläfer erwachten und begannen, gemeinsam mit der Hauptzivilisation zu denken. Sie sagten: Warten ist eine Tugend, aber nicht die einzige. In diesem Durchgang steigt die Produktion „Interstellare Zivilisation“ der Hauptzivilisation um 8 %.
Zusammenfassung des Romans Die letzte Frage: Generation um Generation fragen die Menschen einen immer mächtigeren Computer, ob sich die Zunahme der Entropie umkehren lässt. Jedes Mal antwortet er „unzureichende Daten“, bis zum allerletzten Augenblick des Universums.
Zusammenfassung des Romans Die schwarze Wolke: Eine interstellare Gaswolke treibt ins Sonnensystem und blockiert das Sonnenlicht. Astronomen stellen später fest, dass die Wolke lebt und sehr intelligent ist.

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