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戴森球

最初由弗里曼·約翰·戴森描述的假想的巨型結構

戴森球（英語：Dyson Sphere）是弗里曼·戴森假想出的包圍母恆星的巨大球形結構，它可以捕獲大部分或者全部的恆星能量輸出。戴森認為戴森球是長期生存技術文明對於能量需求增長的必然需求，並認為尋找其存在的證據可以引導發現先進和智慧的外星生命。不同類型的戴森球和它們的能量收集能力將對應於在卡爾達肖夫指數水平上的技術進步。

圖為戴森球的一種變體。這種大規模人造物會大幅度改變恆星的光譜。

自從該概念提出以後，諸多科幻作品裏提出的包圍恆星的人工建築都被冠以「戴森球」之名。後續的設想認為戴森球上不僅有太陽能發電站，還有人類殖民地和工業基地存在。

概念來源

 
弗里曼·戴森

戴森球的概念源自於美國物理學家、數學家弗里曼·戴森的思想實驗。他認為，任何技術文明對能量的需求都是穩定增長的，如果人類文明能夠延續足夠長的時間，就必然有一天對能量的需求會膨脹到要利用其母恆星「全部」的能量輸出。他認為此時就有必要建立能夠攔截和收集母恆星發出的所有能量的軌道結構。戴森沒有從細節上論述該結構如何建造，而只着眼於能量收集的問題。戴森在他1959年出版於科學雜誌的論文「人工恆星紅外輻射源的搜尋（Search for Artificial Stellar Sources of Infra-Red Radiation）」[1]中提出了這一概念，據信這是戴森球概念的首次正式提出。但是戴森受到過奧拉夫·斯特普爾頓寫於1937年的科幻小說《造星者（英語：Star Maker）》的啟發[2]，並可能受到研究過相關方面的約翰·德斯蒙德·伯納爾和雷蒙德·津柯·蓋洛普（英語：Raymond Z. Gallun）的著作的影響。[3]

可行性

雖然一些經常提及的設計——特別是以「戴森殼」為基礎的設計——是不切實際的，但現代軌道衛星和太陽帆技術已經得到發展並能進行一定的實際應用，建造戴森球結構並不需要當前技術取得理論上的突破。部署使用光電池的宇宙飛船和衛星可能是建造「戴森雲」（參見下述的子類型變體）過程中踏出的第一步。[4]然而，建造部署能夠覆蓋太陽系規模巨大數量的宇宙飛船和衛星仍遠遠超出人類當前的工業生產能力。在建造過程中同樣可能存在不可預見的巨大困難，而當前人類對工業自動化的理解和應用也不足以維護這個巨大的自維持系統。

變體

在虛構作品中，戴森球常常被描述成一個包圍恆星的人造空心球體。這是對戴森球原意的曲解。在回復有關他論文的信中，戴森說，「一個圍繞恆星的球殼或環從物理上來說是不可行的。我設想的『生物圈』的形式是由鬆散的太陽能收集器或獨立環繞恆星軌道的衛星雲構成。」[5]

戴森雲

 
戴森環是戴森雲最簡單的結構。圖中軌道半徑為1天文單位，太陽能收集器的直徑為1.0×107千米(約25倍地月距離)，收集器中心圍繞圓形軌道分隔3度均勻分佈，圖像觀測點距離中心恆星2天文單位。圖按照比例繪製。
 
多戴森環是戴森雲的一個相對簡單的結構。圖中軌道半徑為1天文單位，太陽能收集器的直徑為1.0×107千米(約25倍地月距離)，環上收集器中心分隔3度均勻分佈，環與環之間分隔15度均勻分佈。圖像觀測點距離中心恆星約2.8天文單位。圖按照比例繪製。

最接近戴森最初概念的變體是「戴森雲」（Dyson swarm）。它由巨大數目的密集環繞恆星運行的獨立結構（通常是太陽能衛星和太空定居點）組成。這種戴森球結構有這樣幾個優勢：組成戴森群的元件可以自由調整數量和設計尺寸，這樣便能在長時期內逐步建造。[4] 不同形式的無線能量傳輸形式可以用於結構之間的能量傳遞。

戴森雲也有其劣勢。軌道力學規律決定了戴森雲的軌道排布將會極度複雜。最簡單的排布方式莫過於戴森環，在這種佈置中，所有太陽能收集器共享同一個軌道。複雜的多環模式可以攔截到更多恆星能量輸出，但環軌道重疊時會造成周期性的食。[6] 另外潛在的問題是，增加軌道結構會加強對其他結構的攝動，從而降低軌道的穩定性。

下面會繼續提到，這樣一個收集器「雲」將會改變恆星系統向宇宙發射的光線，但可以預見的是，它不會完全遮蔽恆星的光線，恆星的自然光線仍將在其發射的光譜中存在。[1]

戴森泡

 
戴森泡是一種非軌道類型的收集器排列方式。只要恆星的光線能夠無障礙地抵達，收集器就能停留在恆星附近的任何位置。這種相對簡單的排布方式是唯一能夠佈置無限多收集器的方式。圖中所有的太陽能收集器的直徑為1.0×107千米(約25倍地月距離)，距離恆星1天文單位，圖像觀測點距離中心恆星2天文單位。圖按照比例繪製。

戴森球的第二種形式是「戴森泡」（Dyson bubble）。它類似於戴森雲，由許多獨立的結構組成，同樣也可以逐步地進行建造。

不同於戴森雲，此方案不是用環繞軌道的方法，而是通過巨大的承受光壓的太陽帆來抵消太陽的引力。這樣的結構可以免於衝撞以及食的危險；各個結構對於母恆星來說可能是完全靜止的，並且相互獨立。由於光壓和恆星引力之比是恆定的，與距離無關（假設太陽帆衛星與太陽的連線上沒有被其他物體[7]），此類靜止衛星可以自由調整其與中心恆星的距離。

按照現代材料科學的能力，該方法實踐起來仍存在問題，但是有潛力達到。環繞母恆星的太陽帆衛星需要一個總密度為0.78克/平方米的帆。[8]為便於闡明所需材料不需要很大質量，想像一下半徑為1天文單位的單個戴森泡的質量僅為2.17×1020千克，這僅相當於小行星智神星的質量。

但上述的材料在當前仍然超出人類的技術能力：人類目前能製造最輕的碳纖維太陽帆在無載荷時密度為3克/平方米，是建造上述太陽帆衛星所需材料密度的四倍。[9]

然而，預計通過分子製造技術實現超輕碳納米管的手段生產的物質密度將會低於0.1克/平方米。[10]如果在工業規模上製造這樣的物質是可行的，那麼它就可以利用於輕太陽帆之上。帶有纜索的太陽帆密度可以保持在0.3克/平方米左右 (「自旋穩定」的太陽帆需要極小的附加重量用作纜索）。如果太陽帆能夠按照此面密度製造，則類似於L5協會中提及的歐尼爾圓柱體的太空定居點——面積達500平方千米，可居住一百萬居民，重達3×109千克——就能通過直徑3000千米的圓形太陽帆來維持。這種組裝定居點總重為5.4×109千克。[11]該結構的直徑大致等於香港到哈爾濱的距離，只比木星的衛星木衛二稍小，但質量卻比多數小行星小得多。建造如此巨大質量的太陽帆定居點將耗費極大的人力物力，並且從材料科學上來說還有諸多不確定因素，但比起其他類型的戴森球變體所需要的技術和材料來說卻是切合實際多了。

理論上，如果造出並圍繞恆星部署了足夠數量的太陽帆衛星，那麼就能組成一個非固定的戴森泡。這種結構既沒有受到巨大壓力影響的缺點，也不必達到固定結構的戴森殼所需要的超大質量。但這種殼體有着跟固定結構的戴森殼一樣的光學和熱力學特性，可以被其他宇宙文明通過類似的方式偵測到。[1]

戴森殼

科幻小說中經常提及的戴森球變體是「戴森殼」（Dyson shell）：一種環繞恆星的均勻殼體。[12]這種結構能夠100%攔截恆星的能量輸出，從而完全改變中心恆星的光線發射。如果其表面能夠居住的話，它能夠為設想中的人類定居點提供極大的活動空間。

若在太陽系中建造一個半徑為1天文單位的戴森殼，則其內壁上任意一點上將接收與地球上接收到的等量的太陽輻射。該戴森殼的內壁面積至少為2.72x1017平方千米，這等同於5.5億倍的地球表面積。這個戴森殼將攔截全部4.0×1026瓦特的太陽能量輸出；其他戴森球變體攔截的能量則較少，戴森殼所能獲取的能量是太陽在該進化階段我們可能能夠獲取的最大能量值。[12] 這大概是人類在2010年消耗的全部能量1.7x1013瓦特的23.5萬億倍。[13]

不過戴森殼也存在一些理論上的困難：

上述殼體模型沒有考慮到將中心恆星包含在內的重力交互作用，這可能因中心恆星的影響而發生偏移。如果這樣的偏移運動得不到糾正，最終可能導致殼體和恆星的直接碰撞，這很可能導致災難性的結果。這樣的結構需要某種形式的推進力去抵消偏移，或採用一些辦法使得殼體表面遠離恆星。[8]

出於同樣理由，戴森殼沒有考慮殼體內部任何其他物質與其自身的重力交互作用。任何殼體內部的生物圈將不會被吸引到殼體的表面，而是會墜入恆星之中。在某些設想中，生物圈可以放置於兩個同心球之間，置於旋轉球體的內部或靠恆星的引力附着在戴森球的外部。[14][15] 這種情況下，就應該設計某種形式的照明，或者戴森球至少應該部分透明，否則恆星的光線會被完全阻擋。[16]而在有的設想中，人工重力垂直於旋轉軸，使得球體內部的物質集中於赤道上，有效地使球體類似於尼文環以便定居，同時高效地收集太陽能。

組成殼體的材料需要承受巨大的壓縮力。若戴森球的半徑為1天文單位，殼體上任意一點都處於一個天文單位距離處太陽引力作用下的圓形殼體壓力。沒有任何已知的或理論上存在的物質能夠堅韌到承受如此大的壓力，並且能夠用來建造環繞恆星的剛性靜態殼體。[17]曾提出過建造環繞更小的「超木星」而非恆星的保羅·博奇（英語：Paul Birch (writer)）建議可以通過類似用於太空基地的動態方法來支撐戴森殼。[18]在殼體內部環形軌道上運行的物質以明顯高於軌道的速度運動，這使得物質受到離心力而向外壓。對於環繞太陽的半徑為1天文單位的戴森殼來說，運動速度10倍於軌道速度（297.9千米/秒）的質量將產生99倍[19]其自身重量附加於殼體結構上。這些軌道與戴森雲有着同樣的困難，即不確定需要多少能量將被消耗在維持物質的高速運轉上。

太陽系中甚至沒有足夠建設半徑為1天文單位的戴森殼的材料。安德斯·桑德堡（英語：Anders Sandberg）估計太陽系中有1.82×1026千克的物質能夠直接用作建材，這用來建造上述大小的戴森殼已經足夠。此時殼體密度為600千克/平方米，大概8至20厘米厚，這取決於材料的密度。上述材料還包括了難以獲取的氣體巨行星的核心物質。類地行星僅能提供11.79×1024千克的材料，這對於半徑達1天文單位的殼體來說密度則只能為42千克/平方米。[20]這樣的戴森殼對於抵禦星際物質，如彗星、流星或被太陽弓形激波所撓曲的星際物質來說是脆弱的。

其他類型

 
C型恆星引擎的想像圖。圖中軌道半徑為1天文單位，太陽能收集器的直徑為1.07千米（約25倍地月距離），環上收集器中心分隔3度均勻分佈，環與環之間分隔15度均勻分佈。太陽帆鏡位於恆星的北極點，距離恆星1天文單位。圖像觀測點距離中心恆星2.8天文單位。

另一種可能的形式是「戴森網絡」。這是一個圍繞着恆星的繩索網絡，以便能量或熱收集單位能在繩索之間固定。戴森網絡是戴森殼或戴森泡的一種縮減形式，這取決於繩索抵抗恆星引力的能力。

泡世界是由環繞着太空中的氫氣體雲的殼體居住空間所組成的人工建築。空氣、人類、建築等等都在殼體內。這個概念是用於回答「可以建造的最大的空間殖民地」的。[21]然而大多數的這樣的空間是無法定居的，因為那裏沒有能量來源。

理論上說，任何氣態巨行星都能被包入固體殼之中；在某半徑處，其表面重力會與地球相仿；收集該行星上的熱能可以作為能量來源。[21]該理念在查爾斯·斯特羅斯的小說漸速音（英語：Accelerando (book)）中曾提及到，文中把土星改造為人類定居點。

恆星引擎是一種設想中的巨型結構，主要用於集中恆星的可用能量，有時也用於特定目的。例如，俄羅斯套娃腦（英語：Matrioshka brain）集中能量用於計算。肖卡德夫推進器（英語：Stellar engine#Class A (Shkadov thruster)）集中能量用於推進。一些恆星引擎的設計也是以戴森球為基礎的。[22]

黑洞可以替代恆星成為能量來源。因為黑洞往往比恆星更小，由此可以減少通訊的距離，這對於以計算機為基礎的文明來說是非常重要的。[21]

搜尋地外文明

主條目：搜尋地外文明計劃

在戴森最初的論文中，他推測足夠先進的外星文明將會採取與人類相仿的功率消耗模式，並最終會建立起「戴森球」。建造這樣一個系統意味着該文明已經到達卡爾達肖夫II類文明。[23]

戴森球系統的存在會改變恆星系統發出的光。太陽能收集器會吸收和再輻射恆星的能量。[1] 收集器輻射出的波長取決於它們的溫度以及材料的發射光譜。由於收集器最有可能由重元素製造而成，而這在中心恆星的光譜里並不常見——至少恆星大氣中進行的核聚變不會輻射出如此「低」能量的光——因此該恆星系統可能輻射出不合常規的光譜類型。如果某恆星由於這類吸收和再輻射而過濾或轉移的能量非常顯著，就可以在星際距離上探測到。[1]

給定距太陽1天文單位處每平方米所收到的能量，就可以計算出大部分已知物質在紅外波段的再輻射。在類似於太陽的恆星附近的人類形態的文明造出的戴森球使用類似人類能夠使用的材料，很可能引起恆星系紅外輻射量的增加。因此，戴森發表的論文題為「人工恆星紅外輻射源的搜尋」。[1]

SETI在他們的類太陽恆星「重紅外」光譜搜索中使用了該假設。直到2005年，費米國家實驗室一直在分析IRAS衛星獲取的數據以獲取線索。[24][25]

有關的虛構作品

戴森球在提出以後就經常在科幻或其他虛構作品中出現[26][27]。在這些作品中，戴森球往往被描述成「戴森殼」的形式，而建造該結構所面對的引力和工程難題則常常被忽略。[12]

文學作品

動漫

電視劇

遊戲

電影

參見

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參考資料

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Freemann J. Dyson. Search for Artificial Stellar Sources of Infra-Red Radiation. Science. 1960, 131 (3414): 1667–1668 [2010-12-26]. PMID 17780673. doi:10.1126/science.131.3414.1667. （原始內容存檔於2019-07-14）. 
  2. ^ 弗里曼·戴森，《宇宙波瀾：科技與人類前途的自省》 (Disturbing the Universe) p294
  3. ^ Dyson FAQ: Was Dyson First?. [2006-09-01]. （原始內容存檔於2009-12-27）. 
  4. ^ 4.0 4.1 Dyson FAQ: Can a Dyson sphere be built using realistic technology?. [2006-09-01]. （原始內容存檔於2009-12-27）. 
  5. ^ F. J. Dyson, J. Maddox, P. Anderson, E. A. Sloane. Letters and Response, Search for Artificial Stellar Sources of Infrared Radiation. Science. 1960, 132 (3421): 250–253. PMID 17748945. doi:10.1126/science.132.3421.252-a. 
  6. ^ Some Sketches of Dyson Spheres. [2007-10-06]. （原始內容存檔於2019-12-24）. 
  7. ^ Sunlight Exerts Pressure. [2006-03-02]. （原始內容存檔於2021-02-26）. 
  8. ^ 8.0 8.1 Dyson Sphere FAQ: Is a Dyson sphere stable?. [2007-10-06]. （原始內容存檔於2009-12-27）. 
  9. ^ Clark, Greg. SPACE.com Exclusive: Breakthrough In Solar Sail Technology. Space.com. 2000 [2006-03-02]. （原始內容存檔於2011-01-01）. 
  10. ^ Researchers produce strong, transparent carbon nanotube sheets. PhysOrg.com. 2005 [2006-03-02]. （原始內容存檔於2012-02-04）. 
  11. ^ Dinkin, Sam. The Space Review: The high risk frontier. Thespacereview.com. 2006 [2006-03-18]. （原始內容存檔於2021-03-09）. 
  12. ^ 12.0 12.1 12.2 Dyson FAQ: What is a Dyson Sphere?. [2007-07-26]. （原始內容存檔於2009-12-27）. 
  13. ^ International Energy Statistics. EIA. [2013-03-30]. （原始內容存檔於2016-03-04） （中文）. 
  14. ^ Drashner, Todd; Steve Bowers, Mike Parisi, M. Alan Kazlev. Dyson Sphere. Orion's Arm. [2007-10-07]. （原始內容存檔於2007年10月7日）. 
  15. ^ Badescu, Viorel; Richard B.Cathcart. Space travel with solar power and a dyson sphere. Astronomy Today. [2007-10-07]. （原始內容存檔於2012-02-04）. 
  16. ^ Fermi Conclusions. [2007-10-06]. （原始內容存檔於2007-09-23）. 
  17. ^ Dyson FAQ: How strong does a rigid Dyson shell need to be?. [2006-03-08]. （原始內容存檔於2009-12-27）. 
  18. ^ Supramundane Planets. [2006-03-02]. （原始內容 (ZIP)存檔於2006-06-27）. 
  19. ^ a=v2/r。其中a為加速度，v為速度，r為半徑。
  20. ^ Sandberg, Anders. Is there enough matter in the solar system to build a Dyson shell?. Dyson Sphere FAQ. [2006-08-13]. （原始內容存檔於2009-12-27）. 
  21. ^ 21.0 21.1 21.2 Sandberg, Anders. Other Dyson Sphere-Like Concepts. Dyson Sphere FAQ. [2006-08-13]. （原始內容存檔於2009-12-27）. 
  22. ^ Stellar engine. The Internet Encyclopedia of Science. [2007-10-08]. （原始內容存檔於2021-02-24）. 
  23. ^ Kardashev, Nikolai. "On the Inevitability and the Possible Structures of Supercivilizations （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）", The search for extraterrestrial life: Recent developments; Proceedings of the Symposium, Boston, MA, June 18–21, 1984 (A86-38126 17-88). Dordrecht, D. Reidel Publishing Co., 1985, p. 497–504.
  24. ^ Carrigan, D. Fermilab Dyson Sphere search program. 2006 [2006-03-02]. （原始內容存檔於2006年3月6日）. 
  25. ^ 存档副本 (PDF). [2015-02-20]. （原始內容 (PDF)存檔於2015-04-15）. 
  26. ^ Olaf Stapledon. Star Maker
  27. ^ J. D. Bernal, "The World, the Flesh, and the Devil"

外部連結

 
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