如何建造戴森球？太空專家給出了方案

最近幾十年來，戴森球這種科幻中的超級(jí)結(jié)構(gòu)一直吸引著思想家們。不久前，柏林工業(yè)大學(xué)天文學(xué)和天體物理學(xué)中心的天體生物學(xué)家迪克-舒爾茨-馬庫徹(Dirk Schulze-Makuch)撰文，告訴人們?nèi)绾尾拍茉斐鲆粋€(gè)戴森球。

理論物理學(xué)家的設(shè)想1960 年，英國理論物理學(xué)家弗里曼·戴森 (Freeman Dyson) 在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇單頁論文，為人類科技的未來描述了一個(gè)也許是有史以來最有希望的場景。

戴森設(shè)想，一個(gè)先進(jìn)的文明可以通過在自己的星球周圍建一個(gè)球體，吸收這個(gè)星球輸出的能量，來滿足其不斷增長的能源需求。

想象中的戴森球

不過，這篇論文更偏理論，沒有講到實(shí)際的工程應(yīng)用。關(guān)于這種巨型結(jié)構(gòu)應(yīng)該是什么樣子，該如何建造，戴森并沒有提供更多的細(xì)節(jié)。他只是簡單地將這個(gè)球體描述為一個(gè)環(huán)繞著行星的“可以居住的外殼”。但這已經(jīng)足夠吸引到眾多天體物理學(xué)家、科學(xué)家和科幻作家，并為他們提供靈感了。

在戴森的某些描述中，戴森球看起來像一個(gè)巨大的環(huán)，環(huán)繞著一顆恒星，幾乎能碰到地球。在另一些描述中，戴森球是一個(gè)完全包裹著太陽的巨型結(jié)構(gòu)，并且可以捕捉到太陽發(fā)出每一點(diǎn)能量。除了在科學(xué)作品中，戴森球還出現(xiàn)在小說、電影和電視節(jié)目中，比如在《星際迷航》中，戴森球就是先進(jìn)文明的家園。

戴森當(dāng)然明白要建起一個(gè)這樣的龐然大物所面臨的挑戰(zhàn)，所以他本人對(duì)于建起戴森球的可能性也保持著懷疑態(tài)度。不過，他的戴森球設(shè)想激發(fā)了我們對(duì)于人類文明的未來的雄心勃勃的設(shè)想，并且為解決人類的某些最具災(zāi)難性的困境提供了一種方案。

利用太陽或其他恒星的總能量，可以滿足我們眼下的和長期的能源危機(jī)。但是當(dāng)我們能夠獲得一個(gè)恒星輸出的全部能量時(shí)，就遠(yuǎn)不止?jié)M足我們的陸地能源需求這么簡單了。

《星際迷航：下一代》的“遺物”一集最初于1992年10月12日播出。圖中為星艦企業(yè)號(hào)與戴森球并排。

有了這么多可以用的能量，我們就可以向可能有生命存在的系外行星發(fā)射高能激光脈沖，從而大大增加我們與遙遠(yuǎn)文明交流的機(jī)會(huì)。這些由戴森驅(qū)動(dòng)的光束可以比目前任何已知的方式更遠(yuǎn)地傳播到宇宙中，穿透更高密度的空間區(qū)域，比如會(huì)使我們發(fā)送的信號(hào)衰減的塵埃云。

或者，我們可以利用這種能量直接到達(dá)系外行星——在某些天體物理學(xué)家的設(shè)想中，我們可以通過量子引力實(shí)驗(yàn)來操控時(shí)空連續(xù)體，來縮短行程。還有一個(gè)有趣的想法，是用純光子創(chuàng)造所謂的 Kugelblitz 黑洞，在理論上，這些黑洞已經(jīng)被證明可以為未來的星際飛船提供動(dòng)力。通過扭曲時(shí)空，我們或許能夠以比光速更快的速度行進(jìn)，或者創(chuàng)造蟲洞，為穿越銀河系提供捷徑。

更誘人的是，戴森球提供的近乎無限的能量可以解決某些我們?cè)谘娱L壽命上遇到的最關(guān)鍵的難題。支持利用低溫技術(shù)的人們意識(shí)到，這一技術(shù)的大規(guī)模和長時(shí)間使用會(huì)需要大量的能量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前可用的量。

2018 年，研究人員 Alexey Turchin 和 Maxim Chernyakov 提出，人工智能或許能夠通過死者的 DNA 和其他信息，在模擬世界中以數(shù)字的方式重新創(chuàng)造這個(gè)人。為了創(chuàng)建出屬于一個(gè)幾乎永生的種族的、樣本足夠豐富的模擬人，需要大量的能量，還需要清除許多道德和哲學(xué)方面的障礙。但研究人員提出，戴森技術(shù)可以提供所需的能量。

建造戴森球可行嗎？

在今天，戴森的野心勃勃的設(shè)想似乎比以往任何時(shí)候都顯得更加重要。根據(jù)美國能源信息署的數(shù)據(jù)，如果技術(shù)繼續(xù)沿著目前的增長曲線發(fā)展，在未來 30年內(nèi)，全球的能源需求量可能會(huì)增加50%。

風(fēng)能、太陽能和其他可再生能源將在短期內(nèi)有所幫助，但長期的解決方案需要采用更加大膽的工程。戴森球可能是一個(gè)大膽的解決方案，但要實(shí)現(xiàn)它，我們顯然還要克服許多物理和機(jī)械問題，即使是比我們先進(jìn)數(shù)千年的文明也未必能解決這些問題。

作為柏林工業(yè)大學(xué)天文學(xué)和天體物理學(xué)中心的教授，我花了幾十年的時(shí)間來探索先進(jìn)的外星文明存在的可能性。我與人合著了五本關(guān)于外星生命的書，我對(duì)這門科學(xué)的興趣激發(fā)了我，讓我一直在研究戴森球是先進(jìn)外星技術(shù)的可能性。大約十年前，我對(duì)可能是出自外星文明之手的各種大型工程產(chǎn)生了興趣。

黑洞以藝術(shù)的方式渲染，扭曲空間和時(shí)間，創(chuàng)建了蟲洞。

2010 年，我研究了建造戴森球的可行性。當(dāng)我與我在普爾曼華盛頓州立大學(xué)的前物理系學(xué)生布魯克斯·哈羅普（Brooks Harrop）合作時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)了戴森球的常見概念存在許多問題，其中最重要的是球體的坍塌風(fēng)險(xiǎn)。圍繞恒星旋轉(zhuǎn)的剛性同心球會(huì)在每個(gè)點(diǎn)上都受到引力。

現(xiàn)如今已知的任何材料都無法對(duì)抗這種力量。工程師也許會(huì)打算用一個(gè)復(fù)雜的推進(jìn)器系統(tǒng)來解決這個(gè)問題，這個(gè)系統(tǒng)可以通過一個(gè)反作用力，將外殼保持在適當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

但考慮到外殼的巨大質(zhì)量——在大部分的設(shè)想中，該結(jié)構(gòu)的半徑為 9300 萬英里，即地球與太陽之間的距離——這樣的系統(tǒng)首先會(huì)消耗外殼收集的大部分能量，甚至是全部。

假設(shè)我們可以克服這些問題，并且在遙遠(yuǎn)的未來建成了這個(gè)球體：它該如何在流星、小行星、輻射和太陽耀斑中幸存？如果一個(gè)物體的質(zhì)量和哈雷彗星差不多，就會(huì)以超過 100 萬顆沙皇氫彈（迄今為止人類引爆過的最強(qiáng)大的核裝置）的動(dòng)能撞擊這個(gè)球體。

戴森預(yù)見到了這些風(fēng)險(xiǎn)，并承認(rèn)這個(gè)圍繞恒星的殼或環(huán)存在的可能性不大。但這位物理學(xué)家提出了一個(gè)解決方案：如果有一群在圍繞恒星的獨(dú)立軌道運(yùn)行著的物體，就能既收集能量，又避免固體戴森球的大部分物理和機(jī)械問題。

隨著時(shí)間的推移，這些衛(wèi)星可以逐漸被建造，并逐漸被傳送到系統(tǒng)中，逐步增加集群的能量產(chǎn)值。

大約有1000 萬顆衛(wèi)星的戴森群可以滿足人類的能源需求。這需要許多衛(wèi)星，但現(xiàn)代衛(wèi)星星座正在為這樣一個(gè)工程壯舉創(chuàng)造先例。SpaceX 每月可以發(fā)射 240 顆星鏈通信衛(wèi)星，截至 2022 年 2 月，它在太空中已經(jīng)擁有 2000 多顆衛(wèi)星。

完成后，該星群的數(shù)量可能會(huì)達(dá)到數(shù)萬——這個(gè)數(shù)目雖然遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上戴森群的數(shù)量，但已經(jīng)足以激發(fā)我們的想象力。

更現(xiàn)實(shí)的方案：戴森群

為了克服戴森最初設(shè)想的方案中的困難，我和 Harrop找到一種更易實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)——戴森群來替代它。我們將這個(gè)方案命名為太陽能風(fēng)力發(fā)電衛(wèi)星 (SWPS)。傳統(tǒng)的太陽能電池板收集可見光的能量，但我們的衛(wèi)星收集的是構(gòu)成太陽風(fēng)一半的電子（另一半由質(zhì)子和 α 粒子組成）。

快速太陽風(fēng)的速度約為750km/s-1，這使得這些電子比撞擊太陽能電池板的可見光中的電子擁有更強(qiáng)的能量。我們的 SWP 衛(wèi)星的核心是一根指向太陽的長金屬線，充電后會(huì)產(chǎn)生磁場，然后將傳入的電子引導(dǎo)到球形金屬接收器中。這些電子會(huì)產(chǎn)生電流，從而維持導(dǎo)線中的磁場，并在兩者之間形成一個(gè)能夠維持自身穩(wěn)定的系統(tǒng)。

大部分電流仍將用于產(chǎn)生動(dòng)力，將紅外激光發(fā)射到地球的接收站上。由于我們的大氣中存在透明的“紅外窗口”，紅外線是最佳的選擇，因?yàn)樗軌蜃尨蠹s 8 到 13 微米之間的波長不被吸收地通過。

在激光將電能發(fā)送到接收站后，剩余的電子將落回環(huán)形帆上，照在那里的陽光會(huì)激發(fā)它們，產(chǎn)生的能量足以使衛(wèi)星一直保持在圍繞恒星運(yùn)行的軌道上。

2009 年 2 月 24 日，英國出生的美國理論物理學(xué)家弗里曼·戴森 (Freeman Dyson，1923 - 2020 年）坐在新澤西州普林斯頓高等研究院辦公室 。

每顆 SWP 衛(wèi)星的質(zhì)量約為 3.7 公噸（約為 GPS 衛(wèi)星重量的三倍），每天的24 小時(shí)內(nèi)能提供約 2 兆瓦的持續(xù)功率輸出，差不多可以滿足 1,000 個(gè)美國家用衛(wèi)星的能源需求。一個(gè)SWP 衛(wèi)星群可以滿足全人類的能源需求。

這些衛(wèi)星可以用相對(duì)簡單、便宜的材料制造；建造每顆衛(wèi)星的費(fèi)用主要花在 950 英尺的銅線上。由于這些衛(wèi)星使用太陽風(fēng)作為能源，這些衛(wèi)星將吸收最少的熱量，并以接近 100% 的效率運(yùn)行。相比之下，傳統(tǒng)太陽能電池的生產(chǎn)成本很高，因?yàn)樗鼈兊陌雽?dǎo)體需要高純度的硅，而且它們的效率非常低，大概只有20%。

戴森群還面臨著很多技術(shù)上的阻礙。雖然 SWP 衛(wèi)星幾乎不需要維護(hù)，但它們不是自清潔的。如果衛(wèi)星的帆中捕獲到的不是太陽風(fēng)中的電子，而是正離子，衛(wèi)星的效率就會(huì)降低，并且隨著時(shí)間的推移，整個(gè)系統(tǒng)的性能都會(huì)降低。

我們也沒有解決另一個(gè)難題：如何讓衛(wèi)星在變化萬千的太陽風(fēng)中保持穩(wěn)定的位置，以及如何安排數(shù)百萬（也許最后是數(shù)十億）衛(wèi)星圍繞恒星的軌道。

盡管近年來小功率的能量傳送激光系統(tǒng)取得了很大的進(jìn)步，但讓系統(tǒng)能在太空中工作仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。即使是一攝氏度以內(nèi)的微小溫度變化，都會(huì)導(dǎo)致激光器的波長和輸出效率發(fā)生很大的變化。

在太空中保持恒溫是一件很棘手的事情——因?yàn)槲覀兒茈y在沒有空氣的情況下，將熱量從較熱的物體傳遞到較冷的物體。戴森群還有這么多棘手的問題沒有解決，但也許已經(jīng)被另一個(gè)文明解決了。

宇宙中有戴森球嗎？

在我與卡迪夫大學(xué)高級(jí)研究員威廉·貝恩斯合著的《宇宙動(dòng)物園：多個(gè)世界上的復(fù)雜生命》一書中，我們認(rèn)為一旦行星體上出現(xiàn)生命，它最終都會(huì)進(jìn)化成智能——在行星的宜居時(shí)間足夠長的前提下。

這一論點(diǎn)的基礎(chǔ)是，地球上生命進(jìn)化進(jìn)程中的所有重大轉(zhuǎn)變似乎都發(fā)生了多次，這些變化彼此獨(dú)立，或通過不同的生化途徑。這表明宇宙中數(shù)以萬億計(jì)的其他行星中的一些可能經(jīng)歷了同樣的進(jìn)化過程，并且這些行星上的某些生命形式可能已經(jīng)進(jìn)化為智能生命體。

他們有足夠先進(jìn)的科技水平建造戴森球嗎？弗里曼戴森這樣假設(shè)：如果他們建造出了戴森球，我們就可以檢測到它。

具有實(shí)心外殼的傳統(tǒng)戴森球會(huì)散發(fā)出中紅外波長的剩余能量，目前的人類儀器可以檢測到。至少一個(gè)研究小組已經(jīng)開始尋找這種信號(hào)。

賓夕法尼亞州立大學(xué)天文學(xué)和天體物理學(xué)教授杰森·賴特和加利福尼亞州立理工大學(xué)物理與天文學(xué)系的馬特·波維奇，已經(jīng)開始利用美國宇航局廣域紅外勘測探測器 (WISE) 的數(shù)據(jù)在太空中尋找戴森球發(fā)出的強(qiáng)烈的紅外信號(hào)。

那次搜索并未找到戴森球，也許我們的望遠(yuǎn)鏡在太空中沒有看到任何巨型結(jié)構(gòu)的原因是，外星人得出了與我們?cè)谡撐闹兴龅耐茢嘞嗤慕Y(jié)論：建造一個(gè)巨大的、堅(jiān)固的戴森球體是不切實(shí)際的，即使對(duì)于比我們更先進(jìn)的文明來說。

盡管我們可能永遠(yuǎn)不會(huì)看到我們的太陽被包裹在一個(gè)巨型結(jié)構(gòu)中，或者從圍繞它運(yùn)行的數(shù)百萬顆衛(wèi)星中汲取能量，但受戴森球啟發(fā)的科學(xué)和科幻小說會(huì)繼續(xù)激勵(lì)我們，讓我們對(duì)這個(gè)星球上和星球外的生命產(chǎn)生最大膽的想象。

這可能是戴森球最有價(jià)值的貢獻(xiàn)——為我們豎立起了一個(gè)雄心勃勃的目標(biāo)，為我們鋪路，讓我們不斷嘗試革命性的發(fā)現(xiàn)。

參考資料

1. https://www.popularmechanics.com/space/a40230192/dyson-sphere-immortality/

編譯：BladeRunne

審核：劉勇 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員、中國航天科普大使