如何建造戴森球？太空专家给出了方案

最近几十年来，戴森球这种科幻中的超级结构一直吸引着思想家们。不久前，柏林工业大学天文学和天体物理学中心的天体生物学家迪克-舒尔茨-马库彻(Dirk Schulze-Makuch)撰文，告诉人们如何才能造出一个戴森球。

理论物理学家的设想1960 年，英国理论物理学家弗里曼·戴森 (Freeman Dyson) 在《科学》杂志上发表了一篇单页论文，为人类科技的未来描述了一个也许是有史以来最有希望的场景。

戴森设想，一个先进的文明可以通过在自己的星球周围建一个球体，吸收这个星球输出的能量，来满足其不断增长的能源需求。

想象中的戴森球

不过，这篇论文更偏理论，没有讲到实际的工程应用。关于这种巨型结构应该是什么样子，该如何建造，戴森并没有提供更多的细节。他只是简单地将这个球体描述为一个环绕着行星的“可以居住的外壳”。但这已经足够吸引到众多天体物理学家、科学家和科幻作家，并为他们提供灵感了。

在戴森的某些描述中，戴森球看起来像一个巨大的环，环绕着一颗恒星，几乎能碰到地球。在另一些描述中，戴森球是一个完全包裹着太阳的巨型结构，并且可以捕捉到太阳发出每一点能量。除了在科学作品中，戴森球还出现在小说、电影和电视节目中，比如在《星际迷航》中，戴森球就是先进文明的家园。

戴森当然明白要建起一个这样的庞然大物所面临的挑战，所以他本人对于建起戴森球的可能性也保持着怀疑态度。不过，他的戴森球设想激发了我们对于人类文明的未来的雄心勃勃的设想，并且为解决人类的某些最具灾难性的困境提供了一种方案。

利用太阳或其他恒星的总能量，可以满足我们眼下的和长期的能源危机。但是当我们能够获得一个恒星输出的全部能量时，就远不止满足我们的陆地能源需求这么简单了。

《星际迷航：下一代》的“遗物”一集最初于1992年10月12日播出。图中为星舰企业号与戴森球并排。

有了这么多可以用的能量，我们就可以向可能有生命存在的系外行星发射高能激光脉冲，从而大大增加我们与遥远文明交流的机会。这些由戴森驱动的光束可以比目前任何已知的方式更远地传播到宇宙中，穿透更高密度的空间区域，比如会使我们发送的信号衰减的尘埃云。

或者，我们可以利用这种能量直接到达系外行星——在某些天体物理学家的设想中，我们可以通过量子引力实验来操控时空连续体，来缩短行程。还有一个有趣的想法，是用纯光子创造所谓的 Kugelblitz 黑洞，在理论上，这些黑洞已经被证明可以为未来的星际飞船提供动力。通过扭曲时空，我们或许能够以比光速更快的速度行进，或者创造虫洞，为穿越银河系提供捷径。

更诱人的是，戴森球提供的近乎无限的能量可以解决某些我们在延长寿命上遇到的最关键的难题。支持利用低温技术的人们意识到，这一技术的大规模和长时间使用会需要大量的能量，远远超过目前可用的量。

2018 年，研究人员 Alexey Turchin 和 Maxim Chernyakov 提出，人工智能或许能够通过死者的 DNA 和其他信息，在模拟世界中以数字的方式重新创造这个人。为了创建出属于一个几乎永生的种族的、样本足够丰富的模拟人，需要大量的能量，还需要清除许多道德和哲学方面的障碍。但研究人员提出，戴森技术可以提供所需的能量。

建造戴森球可行吗？

在今天，戴森的野心勃勃的设想似乎比以往任何时候都显得更加重要。根据美国能源信息署的数据，如果技术继续沿着目前的增长曲线发展，在未来 30年内，全球的能源需求量可能会增加50%。

风能、太阳能和其他可再生能源将在短期内有所帮助，但长期的解决方案需要采用更加大胆的工程。戴森球可能是一个大胆的解决方案，但要实现它，我们显然还要克服许多物理和机械问题，即使是比我们先进数千年的文明也未必能解决这些问题。

作为柏林工业大学天文学和天体物理学中心的教授，我花了几十年的时间来探索先进的外星文明存在的可能性。我与人合著了五本关于外星生命的书，我对这门科学的兴趣激发了我，让我一直在研究戴森球是先进外星技术的可能性。大约十年前，我对可能是出自外星文明之手的各种大型工程产生了兴趣。

黑洞以艺术的方式渲染，扭曲空间和时间，创建了虫洞。

2010 年，我研究了建造戴森球的可行性。当我与我在普尔曼华盛顿州立大学的前物理系学生布鲁克斯·哈罗普（Brooks Harrop）合作时，我们发现了戴森球的常见概念存在许多问题，其中最重要的是球体的坍塌风险。围绕恒星旋转的刚性同心球会在每个点上都受到引力。

现如今已知的任何材料都无法对抗这种力量。工程师也许会打算用一个复杂的推进器系统来解决这个问题，这个系统可以通过一个反作用力，将外壳保持在适当的位置。

但考虑到外壳的巨大质量——在大部分的设想中，该结构的半径为 9300 万英里，即地球与太阳之间的距离——这样的系统首先会消耗外壳收集的大部分能量，甚至是全部。

假设我们可以克服这些问题，并且在遥远的未来建成了这个球体：它该如何在流星、小行星、辐射和太阳耀斑中幸存？如果一个物体的质量和哈雷彗星差不多，就会以超过 100 万颗沙皇氢弹（迄今为止人类引爆过的最强大的核装置）的动能撞击这个球体。

戴森预见到了这些风险，并承认这个围绕恒星的壳或环存在的可能性不大。但这位物理学家提出了一个解决方案：如果有一群在围绕恒星的独立轨道运行着的物体，就能既收集能量，又避免固体戴森球的大部分物理和机械问题。

随着时间的推移，这些卫星可以逐渐被建造，并逐渐被传送到系统中，逐步增加集群的能量产值。

大约有1000 万颗卫星的戴森群可以满足人类的能源需求。这需要许多卫星，但现代卫星星座正在为这样一个工程壮举创造先例。SpaceX 每月可以发射 240 颗星链通信卫星，截至 2022 年 2 月，它在太空中已经拥有 2000 多颗卫星。

完成后，该星群的数量可能会达到数万——这个数目虽然远远比不上戴森群的数量，但已经足以激发我们的想象力。

更现实的方案：戴森群

为了克服戴森最初设想的方案中的困难，我和 Harrop找到一种更易实现的设计——戴森群来替代它。我们将这个方案命名为太阳能风力发电卫星 (SWPS)。传统的太阳能电池板收集可见光的能量，但我们的卫星收集的是构成太阳风一半的电子（另一半由质子和 α 粒子组成）。

快速太阳风的速度约为750km/s-1，这使得这些电子比撞击太阳能电池板的可见光中的电子拥有更强的能量。我们的 SWP 卫星的核心是一根指向太阳的长金属线，充电后会产生磁场，然后将传入的电子引导到球形金属接收器中。这些电子会产生电流，从而维持导线中的磁场，并在两者之间形成一个能够维持自身稳定的系统。

大部分电流仍将用于产生动力，将红外激光发射到地球的接收站上。由于我们的大气中存在透明的“红外窗口”，红外线是最佳的选择，因为它能够让大约 8 到 13 微米之间的波长不被吸收地通过。

在激光将电能发送到接收站后，剩余的电子将落回环形帆上，照在那里的阳光会激发它们，产生的能量足以使卫星一直保持在围绕恒星运行的轨道上。

2009 年 2 月 24 日，英国出生的美国理论物理学家弗里曼·戴森 (Freeman Dyson，1923 - 2020 年）坐在新泽西州普林斯顿高等研究院办公室 。

每颗 SWP 卫星的质量约为 3.7 公吨（约为 GPS 卫星重量的三倍），每天的24 小时内能提供约 2 兆瓦的持续功率输出，差不多可以满足 1,000 个美国家用卫星的能源需求。一个SWP 卫星群可以满足全人类的能源需求。

这些卫星可以用相对简单、便宜的材料制造；建造每颗卫星的费用主要花在 950 英尺的铜线上。由于这些卫星使用太阳风作为能源，这些卫星将吸收最少的热量，并以接近 100% 的效率运行。相比之下，传统太阳能电池的生产成本很高，因为它们的半导体需要高纯度的硅，而且它们的效率非常低，大概只有20%。

戴森群还面临着很多技术上的阻碍。虽然 SWP 卫星几乎不需要维护，但它们不是自清洁的。如果卫星的帆中捕获到的不是太阳风中的电子，而是正离子，卫星的效率就会降低，并且随着时间的推移，整个系统的性能都会降低。

我们也没有解决另一个难题：如何让卫星在变化万千的太阳风中保持稳定的位置，以及如何安排数百万（也许最后是数十亿）卫星围绕恒星的轨道。

尽管近年来小功率的能量传送激光系统取得了很大的进步，但让系统能在太空中工作仍然是一个挑战。即使是一摄氏度以内的微小温度变化，都会导致激光器的波长和输出效率发生很大的变化。

在太空中保持恒温是一件很棘手的事情——因为我们很难在没有空气的情况下，将热量从较热的物体传递到较冷的物体。戴森群还有这么多棘手的问题没有解决，但也许已经被另一个文明解决了。

宇宙中有戴森球吗？

在我与卡迪夫大学高级研究员威廉·贝恩斯合著的《宇宙动物园：多个世界上的复杂生命》一书中，我们认为一旦行星体上出现生命，它最终都会进化成智能——在行星的宜居时间足够长的前提下。

这一论点的基础是，地球上生命进化进程中的所有重大转变似乎都发生了多次，这些变化彼此独立，或通过不同的生化途径。这表明宇宙中数以万亿计的其他行星中的一些可能经历了同样的进化过程，并且这些行星上的某些生命形式可能已经进化为智能生命体。

他们有足够先进的科技水平建造戴森球吗？弗里曼戴森这样假设：如果他们建造出了戴森球，我们就可以检测到它。

具有实心外壳的传统戴森球会散发出中红外波长的剩余能量，目前的人类仪器可以检测到。至少一个研究小组已经开始寻找这种信号。

宾夕法尼亚州立大学天文学和天体物理学教授杰森·赖特和加利福尼亚州立理工大学物理与天文学系的马特·波维奇，已经开始利用美国宇航局广域红外勘测探测器 (WISE) 的数据在太空中寻找戴森球发出的强烈的红外信号。

那次搜索并未找到戴森球，也许我们的望远镜在太空中没有看到任何巨型结构的原因是，外星人得出了与我们在论文中所做的推断相同的结论：建造一个巨大的、坚固的戴森球体是不切实际的，即使对于比我们更先进的文明来说。

尽管我们可能永远不会看到我们的太阳被包裹在一个巨型结构中，或者从围绕它运行的数百万颗卫星中汲取能量，但受戴森球启发的科学和科幻小说会继续激励我们，让我们对这个星球上和星球外的生命产生最大胆的想象。

这可能是戴森球最有价值的贡献——为我们竖立起了一个雄心勃勃的目标，为我们铺路，让我们不断尝试革命性的发现。

参考资料

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

编译：BladeRunne

审核：刘勇 中国科学院国家空间科学中心研究员、中国航天科普大使