カルダシェフ・スケールどれだけのエネルギーで文明は進んでいると言えるか

火の制御からブラックホール発電まで、このページはゲームの項目をエネルギーの歴史に沿ってたどり、文明のカルダシェフ・スケールを説明する。

このページは、人類のエネルギーの歴史と、文明をエネルギーで格付けする考え方であるカルダシェフ・スケールの関係についての話です。先にお断りすると、ゲームに専用の「カルダシェフのデータ表」はありません。ここで使う材料は、文明の樹の「エネルギー」の列にある20項目と、カルダシェフの格付けを取り上げたゲーム内の手紙1通、それに関連する実際の研究いくつかです。合わせると、人類が最初の火をつけたところから今の位置まで、そしてこれから行こうとしている先が見えてきます。

スケールとは

ニコライ・カルダシェフは、文明をエネルギーで格付けしました。惑星1つ、恒星1つ、銀河1つです。人類は今、約0.73にいます。1段上がるごとに、エネルギーは約100億倍になります。彼の論文は1964年に発表され、文明を使えるエネルギーに応じて、惑星型、恒星型、銀河型の3つに分けました（Kardashev、Soviet Astronomy、1964年）。原題は「地球外文明による情報の伝送」です。

それより前の一歩が、1960年のフリーマン・ダイソンの考えです。進んだ文明は恒星を無数の集光体で囲み、赤外線でその存在を知らせてしまう、というものです（Dyson、Science、1960年）。文明を見つけられるかどうかは、どれだけのエネルギーを使い、どれだけの廃熱を出すかで決まります。

人類のエネルギー年表

項目	豆知識
火の制御	南アフリカのワンダーウェルク洞窟の約100万年前の灰と焼けた骨は、人類が火を使った最も古い証拠の1つです。
調理	加熱した食べ物のおかげで、人類は少ない食べ物から多くのエネルギーを得られ、腸が短く、脳が大きくなった、という仮説があります。
家畜の力	すきと牛車のおかげで、農民1人が、ずっと広い土地を耕せるようになりました。
水車	古代ギリシャにも漢の中国にも水車があり、筋肉に頼らない、人類最初の機械の動力でした。
風車	ペルシャ人が最初の風車を作り、穀物をひき、水をくみ上げました。
石炭	北宋の都・開封では、すでに石炭が大量に燃やされていました。石炭紀のシダの森が埋もれて、今の石炭の大部分になりました。
蒸気機関	1769年にジェームズ・ワットが改良した蒸気機関は、工場を川への依存から解き放ち、産業革命を加速させました。
石油	1859年、エドウィン・ドレークがアメリカで最初の商業油井を掘りました。石油はおもに、古代の海のプランクトンからできています。
内燃機関	1876年、ニコラウス・オットーが4ストローク内燃機関を作り、自動車や飛行機はここから始まりました。
発電所	1882年、トーマス・エジソンがニューヨークに最初の商業発電所を建てました。
核分裂発電	1942年、エンリコ・フェルミが最初の原子炉を作りました。1954年には、ソ連のオブニンスク発電所が初めて送電網に電力を送りました。
太陽電池	1954年、ベル研究所が、変換効率約6%の最初の実用的なシリコン太陽電池を作りました。
リチウムイオン電池	ソニーが1991年に商用のリチウムイオン電池を発売しました。3人の発明者は、2019年のノーベル化学賞を受けました。
制御核融合	2022年、アメリカの国立点火施設が初めて、燃料に当てたレーザーのエネルギーより多いエネルギーを、核融合で出しました。

この年表のどの一歩も、人類が使えるエネルギーを少しずつ増やしました。筋肉から、水と風、石炭、石油、電気、そして最後に核へ。それでも今の人類は0.73のままで、「惑星型」のレベルにさえ届いていません。

まだ起きていない数歩

次の項目はどれも、まだ実現していない構想で、起きたことではありません。

宇宙太陽光発電所：宇宙で太陽光を集めれば、昼夜も天気も関係ありません。それをマイクロ波で地上に送り返します。
反物質エンジン：物質と反物質が対消滅して、質量をすべてエネルギーに変えます。核融合より100倍効率がよい仕組みです。ただし、反物質を1グラム作るのに必要なエネルギーは、取り出せる量よりずっと大きくなります。
ダイソン群：恒星のまわりの無数の集光体で、上に出たダイソンの考えそのものです。
スターリフティング：強い磁場で恒星の表面から物質を引き出す方法で、材料が得られるうえ、恒星の寿命も延ばせます。
ブラックホール発電：1969年にロジャー・ペンローズは、回転するブラックホールのエルゴ領域からエネルギーを取り出せると指摘しました。最大でブラックホールの質量の約29%です。

エネルギーの科学

ジェームズ・クラーク・マクスウェルは、電気と磁気を統一し、電磁波の速さが光の速さにぴったり等しいと計算しました。光は電磁波だったのです（Maxwell、Philosophical Transactions of the Royal Society、1865年）。これが電気の時代の理論上の根っこです。
ベーテは、恒星が核融合で光っていることを突き止め、太陽が何十億年も燃えられる謎を解きました（Bethe、Physical Review、1939年）。
地上のレーザー・アレイでごく軽い帆を押せば、探査機を光速の5分の1まで加速できます（Lubin、Journal of the British Interplanetary Society、2016年）。これは「長い旅にエネルギーを使う」例の1つです。

原典を読みたい人へ：次の題名で検索

Kardashev（1964）："Transmission of information by extraterrestrial civilizations"
Dyson（1960）："Search for artificial stellar sources of infrared radiation"
Maxwell（1865）："A dynamical theory of the electromagnetic field"
Bethe（1939）："Energy production in stars"
Lubin（2016）："A roadmap to interstellar flight"

実際の根拠

火の制御：南アフリカのワンダーウェルク洞窟で見つかった約100万年前の灰と焼けた骨は、人類が火を使った最古級の証拠だ。
調理：加熱した食べ物のおかげで、少ない食料からより多くのエネルギーを得られ、腸が縮んで脳が大きくなった、という仮説がある。
畜力：すきと牛車のおかげで、農民ひとりがはるかに広い土地を耕せるようになった。
水車：古代ギリシャも漢も水車をもっていた。人類が筋肉を使わずに得た最初の機械的な動力だ。
風車：ペルシャ人が最初の風車をつくり、穀物の製粉や揚水に使った。
石炭：北宋の都、開封ではすでに大量の石炭が燃やされていた。今日の石炭の大半は、石炭紀のシダの森が埋もれた残りだ。
蒸気機関：1769年のワットの改良型蒸気機関は、工場を川への依存から解き放ち、産業革命を加速させた。
石油：1859年、ドレークがアメリカで最初の商業油井を掘った。石油の大半は、古代の海のプランクトンに由来する。
発電所：1882年、エジソンがニューヨークに最初の商業発電所をつくった。
内燃機関：オットーは1876年に4ストローク内燃機関をつくった。自動車も飛行機もここから始まった。
原子力（核分裂）発電：フェルミは1942年に最初の原子炉をつくった。1954年、ソ連のオブニンスク原子力発電所が初めて送電網に電力を送った。
太陽電池：1954年、ベル研究所が最初の実用的なシリコン太陽電池をつくった。効率は約6%。
現代の風力発電：大型風車の発電機には、ネオジム・鉄・ホウ素の永久磁石がよく使われる。洋上風車1基に数百キロのレアアースが必要だ。
リチウムイオン電池：ソニーは1991年に商用のリチウムイオン電池を発売した。3人の発明者は2019年のノーベル化学賞を受けた。
制御核融合：2022年、アメリカの国立点火施設が、燃料に当てたレーザーのエネルギーより多くのエネルギーを核融合で初めて放出させた。
宇宙太陽光発電所：宇宙で太陽光を集めるので、昼夜や天候の影響を受けず、マイクロ波にして地上へ送る。
反物質エンジン：物質と反物質の対消滅は、質量のすべてをエネルギーに変え、核融合の数百倍効率がよい。しかし反物質1グラムをつくるには、放出できるよりはるかに多くのエネルギーが必要だ。
ダイソン群：ダイソンは1960年に、高度な文明は恒星を無数の集光器で囲み、赤外線で自分の存在をさらしてしまうと提案した。
スターリフティング：強い磁場で恒星の表面から物質を引き出す。原料が手に入り、恒星の寿命も延びる。
ブラックホール発電：ペンローズは1969年に、回転するブラックホールのエルゴ領域からエネルギーを取り出せ、最大でブラックホールの質量の約29%になると指摘した。
カルダシェフはエネルギーで文明を分類しました。1つの惑星、1つの恒星、1つの銀河。人類はいま、レベル0.73のあたりです。1段上がるごとに、約100億倍のエネルギーが要ります。