戴森球：恒星能量捕獲器

路西

人類對(duì)能源總是充滿了渴望，這一點(diǎn)從各種各樣的超級(jí)英雄電影中就可以看出。從鋼鐵俠戰(zhàn)衣的冷核聚變反應(yīng)堆，到電影《黑豹》中的振金戰(zhàn)衣，再到電影《海王》中的無限能源等，高智能社會(huì)總是與能源聯(lián)系在一起。

在現(xiàn)實(shí)生活中，隨著文明的發(fā)展，我們對(duì)能源的需求也將飛速增長(zhǎng)。為了向更高級(jí)的文明躍進(jìn)，人類最終將不滿足于地球上的能源而向太陽求助。

1959年，物理學(xué)家弗里曼·戴森就設(shè)想了一種圍繞太陽的人造天體——戴森球。它是一種巨型的太陽能收集結(jié)構(gòu)，與卡爾達(dá)肖夫Ⅱ級(jí)文明相對(duì)應(yīng)。從提出以來，戴森球就成為了天體物理學(xué)和工程學(xué)的一個(gè)重要研究課題。那么，戴森球應(yīng)該是什么樣的呢？我們又如何建造它呢？

戴森殼

在戴森提出自己建議的時(shí)候，他就設(shè)想出了三種不同類型的戴森球體：戴森殼、戴森云和戴森氣泡。下面，就讓我們來逐個(gè)了解一下它們。

在科幻小說中，最常見的就是戴森殼了，它是一個(gè)固體球殼，完全包圍著太陽，百分百接收來自太陽的輻射，然而這種形式的戴森殼并不現(xiàn)實(shí)。

首先，建造包裹恒星的巨型結(jié)構(gòu)需要大量的材料，可能比太陽系現(xiàn)有的固體材料還多。其次，如果想讓戴森殼具有人造引力，它必須以1200千米/秒的速度繞太陽旋轉(zhuǎn)，該速度是光速的0.4%，相當(dāng)于一周多一點(diǎn)的時(shí)間內(nèi)繞著太陽轉(zhuǎn)完一周。此時(shí)，戴森殼所承受的內(nèi)應(yīng)力也是巨大的，目前沒有任何已發(fā)現(xiàn)的材料能夠承受。

不過，雖然戴森殼對(duì)于太陽這么大的恒星來說不太實(shí)際，但是對(duì)于像M類紅矮星（恒星質(zhì)量小于0.4倍太陽質(zhì)量）這樣的較小恒星來說，戴森殼還是有存在可能的。戴森殼表面積巨大，且實(shí)心球殼的質(zhì)量足夠大，能夠在表面產(chǎn)生重力作用，讓生物和物體可以呆在戴森殼表面，而不是漂浮在太空，因此戴森殼是潛在的生物圈。這對(duì)我們尋找外星人也是一個(gè)啟示，有的外星人有可能就生活在這樣的戴森殼里。

戴森云

戴森云就是一組放置在太陽軌道上的攜帶太陽能面板的衛(wèi)星，為了收集到更多的能量，這些太陽能面板必須非常大，而且戴森云需要在收集太陽能的同時(shí)，抵消自身重量帶來的引力。

戴森云的優(yōu)點(diǎn)是可以分步建造，我們可以先發(fā)射一顆衛(wèi)星，再將這顆衛(wèi)星收集的能量應(yīng)用在下一顆衛(wèi)星上。不過，當(dāng)越來越多的衛(wèi)星圍繞太陽旋轉(zhuǎn)時(shí)，衛(wèi)星軌道的配置就會(huì)變得很困難，科學(xué)家需要注意避免軌道的相交和由軌道重疊造成的周期性日食。而且衛(wèi)星與彗星、小行星和流星的碰撞會(huì)破壞軌道的排列，而且與其他行星的引力相互作用也會(huì)影響衛(wèi)星軌道。另外，由于戴森云中單個(gè)衛(wèi)星的表面積和質(zhì)量相對(duì)較小，幾乎不提供重力，它很難被用作人類的生物圈。在利用戴森云獲取能量時(shí)，人類仍需要生活在地球或其他行星上。

戴森氣泡

與戴森云類似，戴森氣泡將由圍繞恒星收集太陽能的大量衛(wèi)星組成。不同之處在于，這些衛(wèi)星并沒有被放置在圍繞恒星運(yùn)行的軌道上，而是被放置在一個(gè)黃金距離上。在這個(gè)距離上，來自太陽風(fēng)和輻射的壓力正好等于太陽對(duì)衛(wèi)星的引力，這使得每顆衛(wèi)星完全靜止。

從理論上講，一個(gè)文明國(guó)家可以持續(xù)增加更多的衛(wèi)星，直到整個(gè)恒星被覆蓋，相當(dāng)于創(chuàng)造了一個(gè)戴森殼。同時(shí)，它還消除了其他衛(wèi)星導(dǎo)致日食的可能性，因?yàn)槊總€(gè)衛(wèi)星都保持靜止。

然而，構(gòu)建戴森氣泡可能比構(gòu)建戴森云更加困難，因?yàn)橐ο嗷プ饔煤团鲎矊?duì)它的影響更大。重力效應(yīng)或撞擊不會(huì)使戴森云完全失去作用，大多數(shù)情況下，它們只是使衛(wèi)星偏離軌道。然而，靜止的戴森氣泡得益于所有衛(wèi)星排列組成的精確結(jié)構(gòu)，一個(gè)非常小的相互作用可能會(huì)破壞整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而可能導(dǎo)致它們落入太陽。因此，戴森氣泡需要非常先進(jìn)的控制系統(tǒng)。當(dāng)然，戴森氣泡也無法為人類提供合適的生物圈，理由與戴森云相同。

如何建造戴森云

考慮到三種形式的戴森球的特點(diǎn)，構(gòu)造戴森云對(duì)于我們來說更加實(shí)際。

假設(shè)戴森云的軌道半徑為1個(gè)天文單位（地日距離），以此為半徑的球面積約2.8×1017平方千米。即使我們不要求戴森云完全包圍整個(gè)太陽，也需要非常多的衛(wèi)星和建造衛(wèi)星所需的材料。同時(shí)，制造衛(wèi)星和將它們送到軌道上也需要大量的能量。

為了獲得巨量的材料，我們可能需要拆解一整顆行星。在所有的候選行星中，水星似乎是最好的選擇，它非?？拷?，并且富含金屬。水星的質(zhì)量是3.3×1023千克，其中一半以上都可以用作原材料，生產(chǎn)太陽能收集器。水星沒有大氣，表面重力僅為地球的三分之一，相對(duì)來說，向太空中發(fā)送衛(wèi)星更容易。

另外，太陽能面板的設(shè)計(jì)應(yīng)該比較簡(jiǎn)單，僅需要很少的維護(hù)，就可以在太空長(zhǎng)時(shí)間漂浮，而且造價(jià)便宜。因此，它們最可能是一面面巨大的鏡子，將陽光導(dǎo)向中心收集系統(tǒng)。

由于水星環(huán)境比較嚴(yán)苛，整個(gè)開采原料、建造面板和發(fā)射衛(wèi)星的過程由一批自動(dòng)化機(jī)器完成，包括：太陽能收集裝置、開礦機(jī)、精煉機(jī)和發(fā)射裝置。我們可以先放置一批太陽能收集器，利用收集的能量開采礦石、精煉稀有元素、制造和發(fā)射衛(wèi)星。發(fā)射的衛(wèi)星又可以提供更多的能量，因此，衛(wèi)星發(fā)射速度可按指數(shù)形式增長(zhǎng)。

尋找Ⅱ級(jí)文明的蹤跡

雖然人類還在思索著如何建造戴森球，但是這樣的巨型建筑可能已經(jīng)存在于宇宙中了。

例如，2015年，當(dāng)開普勒空間望遠(yuǎn)鏡（專門觀測(cè)恒星亮度的變動(dòng)）對(duì)準(zhǔn)一顆原本不起眼的恒星——塔比之星時(shí)，它的亮度出現(xiàn)了非常奇怪的下降，它的亮度變化完全沒有規(guī)則，這排除了行星之類的單個(gè)天體圍繞它作軌道運(yùn)動(dòng)的可能。許多科學(xué)家推測(cè)，這種亮度的奇怪下降很可能是由外星文明的戴森球造成的。當(dāng)然，另一種可能性更高的解釋是巨大的塵埃云遮擋了光線。不論怎樣，塔比之星提醒我們：開普勒探測(cè)到的可能不止是系外行星，還有可能是高級(jí)文明的痕跡。

如果戴森球是Ⅱ級(jí)文明發(fā)展的必經(jīng)階段，我們就可以通過一些戴森球可識(shí)別的特征，揭示它們和外星文明的存在。

從塔比之星的事件中，我們可以看出，日食就是戴森球的一個(gè)可識(shí)別特征。如果我們目睹了較大規(guī)模的日食，但是恒星卻沒有相應(yīng)的位置擺動(dòng)（行星會(huì)造成恒星輕微晃動(dòng)），這表明：我們很可能發(fā)現(xiàn)了一個(gè)戴森云。同樣地，如果我們看到一顆恒星出現(xiàn)了由巨大的、黑暗的天體造成的極其緩慢的日食現(xiàn)象，那么天體很可能是戴森氣泡。因?yàn)榇魃瓪馀菹鄬?duì)于恒星靜止，它只會(huì)跟著恒星相對(duì)于我們緩慢運(yùn)動(dòng)，并造成日食。

戴森殼可能更難探測(cè)，因?yàn)樗鼈兺耆樟撕阈前l(fā)出的所有可見光，所以任何傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡都看不到它們。然而，我們可以探測(cè)到戴森殼的輻射——紅外輻射。一般情況下，一個(gè)種族并不能100%使用掉戴森殼內(nèi)表面收集的能量，而且它們利用能量也會(huì)產(chǎn)生熱量，剩余的能量會(huì)以較低的頻率從外表面輻射出來。如果我們探測(cè)到一個(gè)非常大的低頻紅外源，那很可能是戴森殼的伴隨效應(yīng)。

當(dāng)我們接近星際發(fā)展水平時(shí)，對(duì)宇宙的探索和發(fā)現(xiàn)需要更多的能源，充分地利用太陽是必然選擇。無論是何種形式的戴森球，都代表著一個(gè)種族成為星際種族的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

拓展閱讀

卡爾達(dá)肖夫等級(jí)

1964年，前蘇聯(lián)天文學(xué)家尼古拉·卡爾達(dá)肖夫提出了分類文明發(fā)展水平的三個(gè)等級(jí)，他認(rèn)為文明的等級(jí)與其可以掌握的資源相關(guān)，因?yàn)槲拿髟绞前l(fā)展，其對(duì)能源的需求就越高。

在卡爾達(dá)肖夫等級(jí)中，Ⅰ級(jí)文明已掌握其星球的資源，Ⅱ級(jí)文明能夠利用一個(gè)恒星的所有能量，Ⅲ級(jí)文明能夠利用單一星系的所有能量。目前，人類文明處于0級(jí)文明晚期?？茖W(xué)家預(yù)測(cè)，人類很快就能夠完全控制整個(gè)地球的資源了，屆時(shí)人類便需要建造戴森球，來獲取太陽的能量。