戴森球

弗里曼·戴森早在1960年就提出一種理論，即所謂“戴森球”。他認為，地球這樣的行星，本身蘊藏的能源是非常有限的，遠遠不足以支撐其上的文明發展到高級階段；而一個恆星－行星系統中，絕大部分能源——來自恆星的輻射——都被浪費掉了，目前我們太陽系各行星只接收了太陽輻射能量的大約 1/10 。戴森認為，一個高度發達的文明，必然有能力將太陽用一個巨大的球狀結構包圍起來，使得太陽的大部分輻射能量被截獲，只有這樣才可以長期支持這個文明，使其發展到足夠的高度。

戴森球概念源自於美國物理學家兼數學家弗里曼·戴森的思維試驗，他認為：每個人類技術文明對能源的需求是恆定地增長著，如果人類文明能夠延續足夠長的時間，那必然有一天他的能源需求會膨脹到要利用太陽的全部能源輸出。他認為此時就有必要建立環繞太陽的殼狀軌道結構以便用來收集由太陽輸出的全部能源。戴森沒有從細節上敘述如何建立這樣一個結構，而只是集中描述能源收集的問題。戴森據悉是第一個正式從學術上提出戴森球概念的學者，他的論文見於1959年《科學》雜誌上的《人工恆星紅外輻射源的搜尋》。但是戴森球的概念是由1937年的科幻小說《造星者》所影響，並且有可能受到了曾經研究過相關方面的I.D.Bernal和Raymond Z.Gallun著作的影響。

傑出的美國物理學家，曾經擔任愛因斯坦的副手的戴森（FreemanDyson），當時在普林斯頓高等研究院工作。他提出了一個方案，根據這種方案，一種先進技術幾乎可以產生無限的燃料供應。他設想一個足夠發達的文明通過建造一個由接受器和能量轉換器構成的球，就可以利用他們自己那顆恆星的全部能量輸出。

這些球被稱作“戴森球”，它們當然可以提供巨大的能量，但也會輻射與之相當的熱量。這種熱量可以在許多光年以外在光譜的紅外範圍內探測到。還有一些人把這種想法發揮得更進一步，他們主張比我們的文明先進幾百萬年的文明可能利用整個星系的能量，甚至整個星系團的能量。我們在宇宙深處看見的許多類型的能源中有些是這類過程的廢棄產品。這就使參與SETI的研究人員把潛在的文明分成三種類型。

光譜（spectrum）光譜是複色光經過色散系統（如稜鏡、光柵）分光后，被色散開的單色光按波長（或頻率）大小而依次排列的圖案，全稱為光學頻譜。光譜中最大的一部分可見光譜是電磁波譜中人眼可見的一部分，在這個波長範圍內的電磁輻射被稱作可見光。光譜並沒有包含人類大腦視覺所能區別的所有顏色，譬如褐色和粉紅色。

（包括我們在內）是已經發展到以下水平的那些文明：他們能夠開發利用自己棲息的那個世界的自然資源。（人類目前為0.73級，未達Ⅰ型文明）

應該能夠建造像戴森球那樣的東西，並且能夠處理他們那個恆星的全部能量輸出。文明發展到這個水平幾乎可以肯定有能力進行星際旅行。這樣的文明也許已經研究出使物體運動速度超過光速的方法。一種發展到這個階段的文化要比我們先進幾千年甚至於幾萬年。

領先我們成百上千萬年，並且已經掌握利用它們星系的全部資源的技術，這種能力對我們說來就像是屬於上帝卻又在物理定律允許的範圍內。在宇宙的意義上，這不過是一種生命形式之開始進化相對來說比我們稍早一些而已。在我們看來，這樣的生命似乎具有神一般的力量，其實，他們也是在某顆遙遠的行星上，在單細胞有機體的泥漿里形成的。只不過他們發展的時間比我們更長而已。

這種分類最初在20世紀60年代提出。它們很快就被國際上接受成為標準。這個時期也是蘇聯尋找地外文明的研究工作最活躍的時期。

當有人認為這些設計-特別是那些以戴森殼為基礎的藍圖是不切實際的時候，現代軌道環繞衛星或太陽帆技術已經得到發展並能進行一定的實際應用，並不需要任何主要的理論上的突破，而這種技術卻是可以用來建造戴森球結構。當代太空飛船和衛星的應用可以看作為朝向建造戴森球的小小的第一步。然而，建設戴森球的極其巨大的人造衛星和太空飛船，而當前人類卻遠遠沒有製造如此數量的人造衛星和太空飛船的工業生產能力，這是戴森球最大的生產力的瓶頸！有可能在這樣一個建設工程中會有很多目前無法預見的工藝問題，而當前人類對工業自動化的理解和應用是遠遠不夠來建造與維護這樣一個自維護系統。

在許多設計中，戴森球概念經常被理解為一個環繞太陽的人工物質球體。在回復有關他的論文的信中，戴森說，“一個包圍太陽的堅固的殼或環從力學上是不可行的。我設想的一個生物圈的形式是由鬆散的太陽能收集器或獨立環繞太陽軌道的衛星雲（SWARM）組成。

戴森雲由巨大數目密集環繞太陽的獨立結構（通常為太陽能收集衛星和空間定居點）組成，類似於環繞地球的雲，建設一個戴森雲有這樣幾個優勢：建造的元件可以有範圍很廣各種各樣的尺寸選擇，這樣便能逐步逐步在一個很長的歷史時期內建設。不同形式的無線能量傳輸能用於在不同的結構之間傳輸能量。

這樣的一個“雲”也有其劣勢。軌道力學規律決定了戴森雲的軌道運行將會極度複雜。最簡單的一個例子是戴森環：所有的太陽能收集器獨立結構共享同一個軌道。許多複雜的多環模式將攔截更多的太陽能輸出，但當軌道重疊時會導致周期性的日蝕。另外的潛在問題是增加軌道不穩定，當增加更多的軌道結構，就會增加其他機構軌道混亂的可能性。

在以下我會繼續描述，這樣一個太陽能收集器的“雲”將會改變恆星系統向宇宙發散的星光的強度，但可以想見的是，它不會完全遮蔽恆星的光線，太陽光仍將在其發散的光譜中存在。

這一戴森球的變體經常以“戴森殼”為題在科幻小說中描述：一個獨特的堅固的環繞太陽的物質殼體。不像戴森雲，這一結構將完全改變居於其中央的星體的光線發散，並且攔截住100%的恆星能量輸出。這樣一個結構將需要提供一個巨大無比的表面用於給予預想中的人類殖民者提供定居處，如果這一表面能夠提供這樣的條件的話。

若在我們太陽系中建造的戴森殼的直徑是一天文單位距離（地日距離），則戴森殼內壁上任意一點上將接受同等數量的太陽光照射，這正像地球一樣。此內壁的面積等同於55億倍地球的表面積（地球表面積：5.1億平方公里），這將攔截全部太陽能量輸出；而其他的變體將比它攔截的更少。太陽的能量輸出大概是人類社會在1998年消耗的全部能量1.2x10 W的幾十億倍。

不過戴森殼也有一些理論上的困難：

這樣一個殼體模型沒有考慮到將太陽包含在內其自身的重力交互作用，並且將有可能太陽作用力的影響而發生偏移。如果發生這樣的偏離運動得不到糾正，就可能導致最終在球體和太陽直接的碰撞，很有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離，或者一些辦法來使得殼體遠離太陽。

出於同樣的理由，這樣一個殼體模型沒有考慮到在殼體內部任何其他物質與其自身重力交互影響。任何置於殼體內部的生物圈將不會被吸引到球體的表面，而是會吸入太陽之中。有些設想中包括生物圈能包含在兩個同心球之中，置於旋轉球體之中（有的版本的人工重力垂直於旋轉軸，造成置於球體的物質集中於赤道之上，非常有效地使得球體類似於尼文環以便與人類定居）

假設在一個天文單位的半徑上，那麼建造殼體的物質的壓縮力是非常巨大的。在殼體上任選一點來檢測的話，都會發現該點處於一個天文單位距離太陽重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強大的壓力，並且能夠用來建造環繞太陽的一個剛性的，靜態的殼體。Paul Birch(提出建造Supra-木星方案來環繞巨行星以替代太陽)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。物質在殼體內部的環形軌道上，以高於軌道速度的速度運動，將由離心力向外壓。對於環繞太陽這樣質量的恆星一個天文單位的戴森殼，物質運動速度10倍於軌道速度（297.9km/s）將支撐99（重力加速度）倍其自身質量附加於殼體結構結構上。這些不同的軌道承受著相同的困難，正如戴森雲一樣，不能確定多少能量將被消耗在維持物質的高速運轉。

同樣如果要建立一個天文單位半徑的戴森殼，太陽系物質的總量也許還不夠。戴森最初估計在1天文單位處造內壁厚度為3米的戴森殼，太陽系的物質可能還不夠，甚至於還包含了氫，氦這種太陽系中丰度極高的物質，而氫和氦不似重金屬一樣能夠直接作為建築材料。也許可以通過核聚變使得氫和氦轉變為重金屬。而Anders Sandberg估計太陽系中有1.82 × 10 kg的物質能夠直接拿來作為建材，足夠用來建造一個天文單位的戴森殼，而這樣的殼體密度可達600 kg/m ，大概8至20厘米厚，這取決於物質的密度。這包括了氣體巨行星的物質（如木星，土星，海王星，天王星），可能不容易到手；單單內行星（水星，金星，地球，火星）能貢獻僅僅11.79×10 的質量，對於一天文單位的殼體來說密度則只為42 kg/m 。

這樣的戴森殼對於星際天體，如彗星和流星體來說是脆弱的。

更進一步說，這樣的殼體對於劇烈的太陽活動，如弓形激波等來說，也是脆弱的。

第三種形式的戴森球是“戴森泡”。類似於戴森雲，有許多獨立的結構組成（通常為太陽能收集衛星和太空殖民地），同樣也是可以逐漸地建立起來。

不同於戴森雲，此方案不是用環繞軌道的方法，而是通過太陽帆衛星-即通過巨大的承受光壓壓力的太陽帆來抵消太陽的重力拉力的太陽能收集衛星。這樣的結構可能處於衝撞或將別者擋住其中部件陽光的危險之中；各個結構對於太陽來說可能是完全靜止的，並且相互獨立。當光壓和來自太陽的重力是恆定的，無視距離（假設太陽帆衛星在於太陽的直接距離沒有被其他物體所擋住），這樣太陽帆衛星之間不同可能存在於太陽的直線距離。

此方法的實踐對於現代材料科學來說是可質疑的，但還不能被排除。環繞太陽的太陽帆衛星將有一個總密度為0.78g/m 的帆。為便於闡明所需材料不需要很大質量，想一下半徑為1天文單位的這樣一個戴森泡需要的質量將為2.17 × 10 kg，而小行星智神星的質量就大抵如此。

然而即使利用這樣少的物質製造太陽帆衛星也是超過人類的技術能力的；人類目前能製造的碳纖維太陽帆無載重的重量是3g/m ，四倍重於該設想所需要的材料。

然而，預計會出現通過分子機器人實現的超輕碳納米管的製造方案，這樣造出來的物質密度會低於0.1 g/m 。如果製造這樣的物質在工藝上是可行的，那麼就可以利用於輕太陽帆之上，這樣帶有索具的太陽帆密度可以保持在0.3 g/m 左右。如果這樣的太陽帆能得到應用，則類似於L5 Society太空定居點500平方公里，可以住1百萬居民，物質總量為3× 10 噸就能通過3000公里直徑的圓形太陽帆來維持，而這樣的定居點總重為5.4× 10噸。做比較的話，這個定居點的長度大概就比木星的衛星歐羅巴的直徑稍微小一點（雖然這樣的太陽帆是扁平的，不是球體），或者說從舊金山到堪薩斯的距離。然而這樣一個結構的質量只比許多小行星要小一點。雖然建設這樣一個巨大人口的太陽帆定居點將會得到巨大的支持，但是從材料科學上來說還有許多不確定因素，但比起其他類型的戴森球變體所需要的技術來說卻是切合實際多了。

理論上，如果造出並放置了足夠的太陽帆衛星來環繞太陽，那麼就能組成一個非固定的戴森殼。這樣一個殼體並無承受大質量物質壓縮里的缺點，也不需要建立一個固定結構的戴森球所需要的超大質量。然而這樣一個殼體，將會有著跟固定結構的戴森殼一樣的光學和熱力學特性，可以被宇宙的其他文明通過一定的檢測方式來偵測到。

有一種可能的形式為“戴森網路”，一個圍繞著恆星的繩索網路，以便使得能量收集單位能在繩索之間固定。戴森網路是一種戴森殼或戴森泡的一種減少形式，然而，這取決於這樣的繩索如何抵抗恆星的重力。

在科幻小說《環形世界》中，有著一種特定形式的戴森球。其作者拉里尼文提出了這樣一個概念，即“一個在戴森球和行星之間的中間過渡”。環形世界也許可以描述為戴森球上的一片（可以考慮為戴森球的赤道），通過人工重力來旋轉，主要用於定居點而不是能量收集區域。類似於戴森殼，環形世界如果沒有積極的外來干預來抵消恆星的重力來保證它置於原位，那麼它將是不穩定的。

泡世界也是人工建築，由環繞著太空中的氫氣體雲的居住空間所組成。這樣的殼中包含空氣，人類，建築，等等。這樣的概念是用於回答“最大的空間殖民地如何建造”。然而大多數的這樣的空間是沒有價值的，因為那裡沒有能源。

理論上說，任何氣體巨行星（木星，土星，天王星，海王星等）能被包入一個固體殼之中；在一定的半徑上表面重力將類似於地球，並能夠收集該行星上散發出的熱能。

恆星引擎也是一種設想中的巨型結構，主要用於集中來自於恆星的有用能源，有時用於特定的目的。例如，《Matrioshka brains》集中能量用於計算。《Shkadov thrusters》集中能量用於推動。一些有目的的恆星引擎設計也是以戴森球為基礎的。

黑洞替代恆星能夠成為能量的源泉，因為能增加能量-物質的轉化效率。一個黑洞可以比恆星更小。這將減小通訊的距離，這對於一個以計算機為基礎的文明來說是非常重要的。

科學家在NASA的開普勒任務曾經觀測過的十萬多顆恆星中發現一顆名為KIC 8462852的恆星有著怪異的亮度變化：它的光變曲線上也有凹坑，但並非周期性出現。有些凹坑很深，有一個深達15%，還有一個甚至深達22%！

開普勒的數據顯示，KIC 8462852的光變曲線出現過深達22%的凹坑。右圖中的橫坐標是某一日期之後的天數，縱坐標則是這顆恆星的亮度，取正常亮度為1。在第1500天左右，這顆恆星的亮度出現了22%的降幅。

單憑這一點，就知道這不可能是一顆行星。就算是木星那麼大的行星，也只能遮擋這顆恆星大約1%的星光，這差不多已經是行星能夠達到的最大尺寸了。也不可能另外一顆恆星，因為如果有的話，應該能看見它。這樣的凹坑並非有規律的周期性出現，這一點也跟行星或恆星的說法不相符合。不管是什麼遮擋了恆星，它都一定十分巨大，寬度可達這顆恆星本身的一半。

科學家們最初的想法是，會不會是某種行星碰撞事件，這會產生出大量碎屑和塵埃雲。這些碎塊和塵埃雲繞著恆星旋轉，造成一系列凌星，有可能再現出我們看到的這些現象。這個想法的問題在於，這顆恆星的紅外線沒有任何多餘的部分出現。行星碰撞會產生大量塵埃，加熱之後則會發出紅外線。

另一個想法是有一系列彗星繞著這顆恆星旋轉。這些彗星可能被氣體和其他物質構成的雲團包裹，可能產生觀測到的凹坑。另外一顆恆星離KIC 8462852相當近：一顆較小的紅矮星就在大約1300億千米之外。這個距離足以影響其奧爾特雲了，使得大量彗星被擾動進入KIC8462852附近，造成這種現象。彗星是個不錯的猜測，但很難想象有某個場景，它們能夠完全遮擋來自一顆恆星22%的星光（這是一個很大的數量）。

最後一個想法便是看到了一個正在建造戴森球的高等外星文明。巨大的太陽能板（或者太陽能板的集群）寬達上百萬千米，有著古怪的形狀，有可能產生我們在那顆恆星的光變曲線中看到的那些凹坑。

為了探查導致KIC 8462852異常行為的這一可能原因，美國SETI協會（即地外文明搜尋協會）已經將他們的艾倫望遠鏡陣（Allen Telescope Array）對準了那顆恆星，持續觀測了超過2個星期。

對艾倫望遠鏡陣的觀測數據所作的分析顯示，在1 GHz到10 GHz的頻段內，沒有明確接收到任何窄帶或寬頻信號。這意味著，對於全方位向外傳送的無線電信號來說，如果KIC 8462852周圍存在智慧文明，它用於發射窄帶信號的功率不會超過今天地球文明所用能量總功率的100倍，用於發射寬頻輻射的功率不超過地球文明的1000萬倍。艾倫望遠鏡陣的觀測暗示，KIC 8462852周圍不太可能存在一個有能力建造恆星級別人造物品的高技術文明。

利用現有或者近未來的科技就可以製造金星戴森球結構，給金星擋陽光降溫地球化用，不涉及任何新的物理理論。可以用大型電磁彈射彈射原料粉桶到地球軌道上3D列印製造巨型飛船，太空殖民衛星等，先製造一個大型載人工程飛船用等離子發動機驅動飛到金星軌道，並降落在金星大氣層頂端（接近地球氣壓和重力加速度的高度）作為漂浮城市漂浮（漂浮城市密度比該處大氣低）。漂浮城市內部工廠抽取金星大氣，利用裡面的二氧化碳製造石墨烯做建築材料，複製另外的漂浮城市工廠。二氧化碳可以通入高溫熔化的金屬液體裡面還原直接製成石墨烯，並電解出氧氣。氧氣作為漂浮城市內部主要的浮力氣體使用，當然需要加入一定量的氮氣和二氧化碳才能符合地球的空氣成分。無數漂浮城市之間用碳納米管繩索連接起來組成一個戴森球，遮擋陽光給金星大氣降溫。二氧化碳越來越少也可以減少溫室效應。戴森球表面用石墨烯超導體做導線，通電后產生全球性磁場，偏轉太陽風保護大氣層。居住式社區城市可以做成球形或者圓柱形外殼，一面透明一面不透明，外殼緩慢旋轉，控制陽光的通過量，產生晝夜節律。這樣，重力，氧氣含量，大氣壓，全球性磁場，晝夜節律都有了，再加上大氣中提取出來的水和其他元素，完全可以支撐一個適合永久居住世代繁衍的新地球的生態環境。等若干年後金星大氣降溫降壓到地球水平並形成了大海，就可以從極地開始移植生物圈了，金星礦業也可以開始。

多餘的石墨烯可以製造太陽帆飛船賣給地球和火星殖民地，包括多餘的氧氣產能。並進口月球的土壤，土衛六的石油和天然氣，木衛二的冰塊，形成一個繁榮的可持續的太陽系星際貿易圈。

高溫高壓狀態的金星車可以用耐高溫的風力空壓機加氣動裝置驅動，而不是電機系統。

弗里曼·戴森（Freeman Dyson, 1924-)出生於英國，1947年至美國康乃爾大學研究，1951年正式定居美國，1953年成為普林斯頓高等研究物理學教授至今。戴森教授不僅是位優秀的理論物理學者，更是一位關心人類命運、嚮往無限宇宙的睿智哲人。他一生優遊數學、粒子物理、固態物理、核子工程、生命科學、天文學領域，志在探索未知的世界。戴森教授早年為量子電動力學的巨擘，與諾貝爾物理獎擦肩而過。1956年發表的《自旋波》論文受到無數引用，堪稱物理學史上的重量級論文之一。戴森稱，“自旋波”或許是他一生最重要的貢獻。戴森教授於普林斯頓高等研究院服務四十年。戴森獲得許多殊榮：倫敦皇家學會休斯獎（Hughes Medal）、德國物理學會普朗克獎（Max Planck Medal）、奧本海默紀念獎、以色列海法理工學院的哈維獎（Harvey Prize）等。

他著有《全方位的無限》、《武器與希望》、《宇宙波瀾》、《想象的未來》、《太陽、基因組與網際網路：科學革命的工具》、《想象中的世界》等書，在科學界和大眾中都激起極大的迴響。

弗里曼·戴森小時候並不是只對數理化感興趣，而是非常喜好閱讀文學作品。沒有早年打下的文科基礎，他的《宇宙波瀾》在茫茫書海中必定是波瀾不驚，而不會成為暢銷書，他的《全方位的無限》的銷路也必定相當有限。弗里曼。戴森的書幾乎每一本都好看，且不說他思考的深度，單是他的典雅文字就充滿了魅力。他的《宇宙波瀾》、《全方位的無限》、《太陽、基因組與網際網路》、《想象中的世界》已有中文譯本。此外，他還寫了《從愛羅斯到蓋婭》、《生命起源》、《武器與希望》，等等。他和許多博學的作家一樣，在書的每章最前面均引用一段與本章主題有關的名人名言。如果沒有“讀書破萬卷”的功力，就做不到“引用如有神”。

《宇宙波瀾》——科技與人類前途的自省

量子電動力學的第一代巨擘戴森，不僅是一位優秀的大科學家，更是位關心人類命運、嚮往無限宇宙的睿智哲人。本書是他從事科學工作五十年以來的回憶，他把科學生活比作個人靈魂的航程，浪漫而生動地記述了許多著名科學家如歐本海默、費曼、泰勒等人的風範與成就，原子爐、生命科技以及太空探索的研究歷程與爭議，同時對科技發展與人類前途有深刻的省思。

《全方位的無限：生命為何如此複雜》

戴森教授是科學界的通人，他以高超的智能和過人的勇氣，跨越科學的門檻，思索宇宙與人類心智的緊密關連。全書分成兩大部分，第一部“生命為什麼如此複雜”，作者在書中探索生命的多樣和一致、複雜和單純，一步步帶領讀者開啟生命起源的奧秘，進而推想人類的終極未來。第二部“核子冬天到又見蝴蝶”，檢討在科技高度發展的現代，人類道德倫理的困境，從軍力平衡、核武發展、星球大戰計劃，談到國際政治更涉及二十一世紀的人類命運。戴森教授以如同觀察蝴蝶自蛹之生、以致翩然起舞的精采歷程，將諸多觀點形諸筆墨，叫人大為嘆服。

《想象的未來》

一九七九年，戴森在《宇宙波瀾》中，透過個人傳記的手法，表達自己對人類處境的關懷；一九八八年，戴森在《全方位的無限》中，探討多樣的生命，並進一步深思人類、科技與道德之間的互動。在這本書中作者以他貫有的流暢思緒、優美文筆，旁徵博引並充滿想象力地預期人類的未來。本書透過文學以及科幻小說的色彩，戴森點出明日科學的命運，預測未來科技的邪惡與美好，以十年、百年、千年、甚至是無限長的時光為尺子，衡量人類的演化歷程。同時，他呼籲科技必須與道德齊頭並進。戴森想象中的未來，就像搭乘時光機器漫遊無垠的宇宙，展現在人類面前的是絢麗多彩的世界。

本書講述的是一個個生動的故事，無論是現實的還是想像的，無論是科學的還是藝術的，其用意並不在於科學技術本身。作者將人類發展物質文明的行為放在一個廣闊的時空中去考察，認為一切科學技術都有倫理特性