PenidurMengapa sebuah peradaban mungkin menunggu alam semesta yang lebih dingin

Komputasi lebih murah di tempat dingin, jadi sebuah peradaban mungkin tidur. Halaman ini membahas prinsip Landauer, suhu kosmik, dan hipotesis estivasi.

Energi minimum untuk menghapus satu bit informasi sebanding dengan suhu: makin dingin, makin murah. Pada 2017 Anders Sandberg, Stuart Armstrong, dan Milan Ćirković memakai hal ini untuk mengusulkan "hipotesis estivasi". Sebuah peradaban yang menyimpan energinya untuk masa depan jauh yang sangat dingin mungkin bisa melakukan komputasi sekitar 10³⁰ kali lebih banyak, sehingga kita tidak melihat alien karena mereka sedang tidur. Saluran "Penidur" di dalam game mengubah hipotesis ini menjadi sebuah cerita.

Halaman ini lebih dulu membahas fisika di balik hipotesis, lalu argumen yang menentangnya, kemudian menguraikan skenario game dan mendaftar riset nyata terkait. Hipotesis ini diperdebatkan. Ia bukan kesimpulan yang diterima.

Suhu dan komputasi

  • 2,7 K: latar gelombang mikro kosmik sekarang sekitar 2,725 K. Di masa depan yang didominasi energi gelap, skala alam semesta kira-kira berlipat dua setiap 12 miliar tahun, dan suhu latar turun setengahnya bersamaan.
  • Prinsip Landauer: pada 1961 Rolf Landauer menunjukkan bahwa menghapus 1 bit harus melepaskan paling sedikit kT·ln2 panas, jadi suhu yang lebih rendah lebih murah. Eksperimen 2012 memerangkap manik kaca kecil dengan laser dan untuk pertama kalinya mengukur batas ini.
  • Nebula Bumerang: tempat alami terdingin yang diketahui adalah Nebula Bumerang, sekitar 1 K, lebih dingin dari latar kosmik. Gas yang dihembuskan bintang sekarat mengembang begitu cepat sehingga mendinginkan dirinya sendiri.
  • Batas bawah suhu: alam semesta tidak akan terus mendingin selamanya. Alam semesta yang berakselerasi punya horizon, dan horizon itu sendiri bersuhu sekitar 10⁻³⁰ K, seperti dihitung Gibbons dan Hawking pada 1977.

Mengapa "tidur"

"Estivasi" aslinya berarti dormansi musim panas. Ikan paru-paru Afrika membenamkan diri ke lumpur di musim kemarau, membungkus tubuh dengan lendir, dan menurunkan metabolismenya sangat rendah. Mereka bisa tidur begini selama beberapa tahun sampai hujan kembali. Hipotesis ini meminjam kata itu.

Untuk menunggu alam semesta yang lebih dingin, kamu harus lebih dulu mempertahankan sumber dayamu. Saat bintang memfusikan hidrogen menjadi helium, hanya sekitar 0,7% massa menjadi energi, dan sebagian besar tersebar ke angkasa sebagai cahaya bintang. Itulah motif untuk menimbun. Lubang hitam bermassa satu Matahari punya suhu Hawking hanya sekitar 6×10⁻⁸ K, jauh lebih dingin dari latar kosmik sekarang. Sampai latar turun di bawah angka itu, ia tidak akan menguap. Ia justru perlahan menyerap radiasi latar, sehingga bisa berfungsi sebagai gudang.

Tidur tidak berarti komputasi berhenti total. Selama tidak ada informasi yang dihapus, komputasi pada prinsipnya hampir tidak memakai energi. Ini disebut komputasi reversibel, dan Charles Bennett membuktikannya pada 1973.

Bantahan: tak perlu menunggu

Pada 2019 Charles Bennett, Robin Hanson, dan Cameron Riedel membantah. Alam semesta penuh "reservoir dingin" yang jauh dari kesetimbangan, tempat entropi bisa dibuang sekarang juga, tanpa perlu menunggu alam semesta mendingin. Menunggu baru untung setelah sebuah peradaban menghabiskan semua materi.

Gagasan di dalam game

Bagian berikut adalah fiksi game. Saluran ini ditemukan dengan bertanya "di mana mereka?" di saluran Awan Hitam, atau dengan membuka "Era degenerasi" di Pohon Transenden. Dalam skenario, Sang Pengamat menemukan struktur yang luar biasa dingin dan luar biasa teratur di tepi Grup Lokal. Sangat banyak materi telah dikumpulkan. Ia nyaris tidak berpendar dan tidak memancarkan panas. Ia sedang tidur.

Mekanismenya adalah menunggu alam semesta mendingin. Saluran ini berjalan dengan jam kosmik: setiap 2 jam waktu nyata, suhu latar turun setengahnya (di alam semesta nyata, sekitar 12 miliar tahun). Selagi tidur, mereka hanya menyimpan energi. Saat kamu membangunkan mereka, energi tersimpan diubah menjadi "bit" pada suhu saat itu, dan mereka terus berpikir pada suhu tersebut selama terjaga. Makin lambat kamu membangunkan, makin banyak yang didapat. Untuk memanfaatkan alam semesta yang lebih dingin, biarkan mereka terus tidur. Skenario ini juga punya jaga malam: beberapa penjaga tetap terjaga dan mengurus alam semesta untuk yang lain. Saluran ini punya dua akhir: mereka bangun di saat paling dingin, atau sebagian Penidur bangun lebih awal dan berpikir bersama peradaban utama. Semua ini fiksi.

Dua novel terkait

  • The Last Question (Isaac Asimov, 1956): hukum kedua termodinamika belum diketahui punya pengecualian, dan kematian panas alam semesta adalah salah satu prediksi arus utama. Dalam cerita, manusia lintas generasi bertanya kepada komputer yang makin perkasa apakah peningkatan entropi bisa dibalik. Setiap kali ia menjawab "data tidak cukup untuk jawaban yang berarti", sampai saat terakhir alam semesta.
  • The Black Cloud (Fred Hoyle, 1957): Hoyle adalah astrofisikawan sungguhan. Awan antarbintang memang mengandung molekul organik kompleks, dan beberapa telah ditemukan di Sagitarius B2.

Riset nyata terkait

Penelitian di bawah ini menyangkut pengembangan kosmik, suhu latar, penguapan lubang hitam, dan masa depan jauh. Semuanya sains nyata yang berkaitan, bukan bukti bahwa peradaban sedang tidur.

  • Supernova jauh mengungkap bahwa pengembangan alam semesta berakselerasi, dan energi gelap masuk ke fisika. Karya ini meraih Hadiah Nobel 2011 (Riess et al., The Astronomical Journal, 1998).
  • Tim kedua secara independen sampai pada kesimpulan yang sama (Perlmutter et al., The Astrophysical Journal, 1999).
  • Derau yang tak bisa dihilangkan dari sebuah antena ternyata adalah pendar sisa Big Bang, yang meraih Hadiah Nobel 1978 (Penzias dan Wilson, The Astrophysical Journal, 1965).
  • Efek kuantum membuat lubang hitam memancarkan energi dengan lambat, sehingga lubang hitam pada akhirnya menguap (Hawking, Nature, 1974).
  • Perhitungan nasib alam semesta selama triliunan tahun dan seterusnya: bintang padam, proton mungkin meluruh, lubang hitam akhirnya menguap (Adams dan Laughlin, Reviews of Modern Physics, 1997).
  • Materi biasa menyusun sekitar 5% total energi alam semesta, materi gelap sekitar 27%, dan sisanya energi gelap (Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics, 2020).

Dasar nyata

  • 2,7 K: Latar gelombang mikro kosmik sekarang sekitar 2,725 K. Di masa depan, didominasi energi gelap, skala alam semesta berlipat dua kira-kira tiap 12 miliar tahun, dan suhu latar turun setengah bersamanya.

  • Prinsip Landauer: Pada 1961 Landauer menunjukkan bahwa menghapus 1 bit informasi melepaskan panas setidaknya kT·ln2; makin rendah suhunya, makin murah. Eksperimen 2012 dengan manik kaca kecil yang ditahan cahaya laser untuk pertama kalinya mengukur batas ini.

  • Nebula Bumerang: Tempat alami terdingin yang diketahui adalah Nebula Bumerang, sekitar 1 K, lebih dingin daripada latar kosmik: gas yang dihembuskan bintang sekarat mengembang begitu cepat hingga mendinginkan dirinya sendiri.

  • Estivasi: “Estivasi” aslinya berarti tidur musim panas. Ikan paru-paru Afrika menggali ke dalam lumpur pada musim kemarau, membungkus diri dengan lendir, menurunkan metabolismenya sangat rendah, dan bisa tidur seperti ini beberapa tahun sampai hujan kembali.

  • 10³⁰ kali: Pada 2017 Sandberg, Armstrong, dan Ćirković mengusulkan “hipotesis estivasi”: hemat energi untuk masa depan jauh yang sangat dingin, dan komputasi yang mungkin dilakukan bisa sekitar 10³⁰ kali lebih besar. Itulah sebabnya kita tak melihat makhluk asing: mereka sedang tidur.

  • Batas bawah suhu: Alam semesta tidak akan terus mendingin selamanya. Alam semesta yang dipercepat punya cakrawala, dan cakrawala itu sendiri bersuhu sekitar 10⁻³⁰ K, seperti dihitung Gibbons dan Hawking pada 1977.

  • Menimbun: Ketika bintang membakar hidrogen menjadi helium, hanya sekitar 0,7% massa yang menjadi energi, dan sebagian besar tersebar ke angkasa sebagai cahaya bintang.

  • Tak perlu menunggu: Pada 2019 Bennett, Hanson, dan Riedel membantah: alam semesta penuh “reservoir dingin” yang jauh dari kesetimbangan tempat entropi bisa dibuang sekarang juga, tanpa perlu menunggu alam semesta mendingin; menunggu baru bermanfaat setelah sebuah peradaban mengambil semua materi.

  • Penyimpanan lubang hitam: Lubang hitam bermassa satu Matahari punya suhu Hawking hanya sekitar 6×10⁻⁸ K, jauh lebih dingin daripada latar kosmik sekarang. Sampai latar menjadi lebih dingin dari itu, ia tidak menguap; ia justru perlahan menyerap radiasi latar.

  • Mimpi berdaya rendah: Selama tidak ada informasi yang dihapus, komputasi pada prinsipnya hampir tak butuh energi. Ini disebut komputasi reversibel. Bennett membuktikannya pada 1973.

  • The Last Question: Dalam cerita Asimov tahun 1956, The Last Question, orang-orang bertanya kepada komputer dari generasi ke generasi: bisakah entropi dibalikkan?

  • The Last Question (Isaac Asimov, 1956), sainsnya: hukum kedua termodinamika belum diketahui punya pengecualian; kematian panas adalah salah satu prediksi terkemuka untuk alam semesta.

  • The Black Cloud (Fred Hoyle, 1957), sainsnya: Hoyle adalah astrofisikawan sungguhan. Awan antarbintang memang mengandung molekul organik kompleks; beberapa jenis telah ditemukan di Sagittarius B2.

Riset terkait

Studi-studi ini berkaitan dengan topik ini tetapi bukan bukti langsung untuk halaman ini.

  • Pengembangan yang dipercepat: Memakai supernova jauh sebagai “lilin standar”, mereka menemukan pengembangan alam semesta makin cepat. Energi gelap masuk ke dalam gambaran, dan karya ini meraih Hadiah Nobel 2011.

    Sumber: Riess et al., The Astronomical Journal 1998, "Observational evidence from supernovae for an accelerating universe and a cosmological constant"

  • 42 supernova: Tim lain secara mandiri sampai pada kesimpulan yang sama: ada energi di alam semesta yang mendorong pengembangan yang dipercepat.

    Sumber: Perlmutter et al., The Astrophysical Journal 1999, "Measurements of Omega and Lambda from 42 high-redshift supernovae"

  • Latar gelombang mikro kosmik: Dua peneliti Bell Labs tak bisa menyingkirkan derau di antena mereka, dan akhirnya sadar itu adalah cahaya sisa Dentuman Besar. Mereka meraih Hadiah Nobel 1978.

    Sumber: Penzias & Wilson, The Astrophysical Journal 1965, "A measurement of excess antenna temperature at 4080 Mc/s"

  • Lubang hitam menguap: Efek kuantum membuat lubang hitam memancarkan energi perlahan. Lubang hitam tidak abadi dan akhirnya akan menguap.

    Sumber: Hawking, Nature 1974, "Black hole explosions?"

  • Bab terakhir alam semesta: Menghitung nasib alam semesta selama triliunan tahun dan seterusnya: bintang padam, proton mungkin meluruh, dan lubang hitam akhirnya menguap.

    Sumber: Adams & Laughlin, Reviews of Modern Physics 1997, "A dying universe: the long-term fate and evolution of astrophysical objects"

  • Resep alam semesta: Satelit Planck mengukur fluktuasi kecil pada latar belakang gelombang mikro kosmik: materi biasa menyusun sekitar 5% dari total energi alam semesta, materi gelap sekitar 27%, dan sisanya energi gelap.

    Sumber: Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics 2020, "Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters"

Fiksi game (rekaan)

  • Simpul "Menimbun": Mereka mengumpulkan materi agar bintang tidak membakarnya dengan sia-sia.
  • Simpul "Tak perlu menunggu": setelah dibuka, laju konversi saat membangunkan mereka paling tidak 8×.
  • Simpul "Jaga malam": Tidak semuanya tidur. Beberapa pengawas tetap terjaga, mengurus alam semesta untuk yang lain agar tak seorang pun menyia-nyiakan sumber dayanya.
  • Simpul "Mimpi berdaya rendah": Dalam tidurnya mereka memimpikan mimpi yang dapat dibalik, menata apa yang akan mereka butuhkan untuk dihitung begitu bangun.
  • Simpul "Pertanyaan Terakhir": Jaga malam menjawab satu pertanyaan dari peradaban utama.
  • Simpul "Terbangun": …
  • Akhir saluran "Jam terdingin": Mereka terbangun pada jam terdingin alam semesta. Saat itu bintang-bintang telah padam dan setiap galaksi telah menjauh melampaui horizon. Mereka terbangun dalam gelap dan mulai memikirkan pertanyaan yang telah mereka simpan selama triliunan tahun.
  • Akhir saluran "Tak perlu menunggu": Sebagian Penidur terbangun dan mulai berpikir bersama peradaban utama. Kata mereka: menunggu adalah kebajikan, tetapi bukan satu-satunya. Pada putaran ini, hasil "Peradaban antarbintang" milik peradaban utama +8%.
  • Ringkasan novel The Last Question: Generasi demi generasi, orang bertanya kepada komputer yang makin perkasa apakah peningkatan entropi bisa dibalik. Setiap kali ia menjawab "data tidak cukup", sampai saat terakhir alam semesta.
  • Ringkasan novel The Black Cloud: Awan gas antarbintang melayang ke tata surya dan menghalangi sinar Matahari. Para astronom kemudian mendapati awan itu hidup, dan sangat cerdas.
Lihat di game