《戴森球計劃》不只是游戲，它源自利用太陽能的夸誕想象
戴森球設想提出至今已過60多年，它的實施——如果有可能的話——必定在極為遙遠的將來----科學外史II（5）
我小外孫開始玩一款名叫《戴森球計劃》的游戲，自感又有獨得之秘，某日率爾問道：難道外公也知道戴森球？令他爹媽不禁莞爾。哈哈，老朽還真知道一些關于戴森球的事情，不過基本上和游戲無關。
戴森球設想提出至今已過60多年，它的實施——如果有可能的話——必定在極為遙遠的將來----科學外史II（5）我小外孫開始玩一款名叫《戴森球計劃》的游戲，自感又有獨得之秘，某日率爾問道：難道外公也知道戴森球？令他爹媽不禁莞爾。哈哈，老朽還真知道一些關于戴森球的事情，不過基本上和游戲無關。
文明發(fā)展對能源的需求
一個星球上出現(xiàn)智慧生物，發(fā)展出了文明，對能源的需求就會快速增長。目前地球人類就處在這樣的狀態(tài)中。我在“地球流浪之后：第三堂令人沮喪的算術課”一文中，曾用2019年的數(shù)據(jù)估算出當時地球的全年能耗總量，相當于太陽投射到地球的總能量的約萬分之一。
在這個全球總能耗中，主要取自煤炭、石油、天然氣，但這些傳統(tǒng)能源歸根結(jié)底也是太陽能的存儲，另外還有核能和直接的太陽能等新能源，直接利用的太陽能目前仍只占全球總能耗中很小一部分。
但是，文明發(fā)展過程中對能源的需求是沒有止境的，特別是進入工業(yè)化之后，這種需求會快速增長。例如，2018年全球總能耗（198億噸標準煤）就比上一年增長了2.9%。這個年增長率看上去似乎不高，但假定以這個年增長率持續(xù)下去，只要320多年，全球總能耗就可以增長到目前的一萬倍。
地球上的傳統(tǒng)能源不久終將枯竭——各種估計大相徑庭，比較樂觀的一種是，以目前的全球總能耗計算（未考慮逐年增長），地球能源還能使用數(shù)百年。另一個重要的能源是核能，目前的裂變核能主要以核電的形式被利用，效率不高，核廢料問題又很大，人類只有搞成聚變核能才可高枕無憂，然而那一天卻又遙遙無期。利用聚變核能，理論上的藍圖早就有了，但技術手段上始終難以突破。
所以，人類在能源問題上最終的出路，最有希望的還是利用太陽能。戴森球，可以說就是對人類利用太陽能的終極展望。
戴森球的設想
根據(jù)人類目前對恒星和太陽的知識，太陽每分鐘向地球軌道上1平方厘米的面積投射1.97卡的能量，比較專業(yè)的說法是“太陽常數(shù)=1.97卡（平方厘米/分鐘）”，再考慮地球的實際尺度，就可以得出地球每年從太陽獲得的總能量——這里我們只需知道這個總能量是目前地球全年總能耗的約一萬倍即可。
這也就是說，如果地球耗光了傳統(tǒng)能源，又不考慮核能（畢竟目前核能在全球總能耗中占比還很小），那么我們從太陽對地球的輻射中，最多能獲得目前全球總能耗的約一萬倍的能源。我們還知道，按人類目前對能源需求的增長速度，只需320多年，就會達到目前全球總能耗的一萬倍這個極限。
即使我們能夠?qū)⑻栞椛涞降厍蛏系哪芰咳课绽�，幾百年后能源需求增長到上述極限之后怎么辦？戴森球就是要設法解決這個問題。
戴森（Freeman Dyson，1923～2020）是美籍英裔物理學家，早年在量子電動力學領域有過重要貢獻，是可以列入物理學大師行列的人物，后來長期在普林斯頓高等研究院工作。在這個適合閑人胡思亂想研究無用之學的地方，戴森也旁騖了不少別的領域，比如星際航行之類。戴森球的設想，也可以視為這種旁騖的成果之一。
和巨大的太陽相比，地球好比遙遠距離（1天文單位，即地球繞日公轉(zhuǎn)軌道的半徑，約1.5億公里）處的一顆小豆子，這顆小豆子接受到的太陽輻射能量，雖然有目前全球總能耗的約一萬倍，但對于全方位的太陽輻射能量來說，顯然只是極小極小的一部分。
太陽的輻射總能量，絕大部分都在無垠的太空中白白浪費了，我們地球依靠太陽的自然照射，能夠得到其中的多少份額呢？戴森已經(jīng)估算過了，大約是十億分之一。
換句話說，我們地球從太陽自然照射中得到的總能量，雖然是目前地球全球總能耗的約一萬倍，但這只是太陽總輻射能量中的約十億分之一。戴森球的想法，就是要讓地球這顆小豆子，從太陽輻射能量的這十億分之一外，盡可能再多拿到一些。
1960年戴森在Science雜志上發(fā)表了一篇短文，提出了戴森球的想法：一個足夠先進的行星文明，應該有能力建造一個球形結(jié)構(gòu)，將自己和自己的恒星（太陽）包裹在里面，這樣太陽的很大部分輻射能量就可以被采集起來，供該文明使用。此后人們就將這種想象中的球形結(jié)構(gòu)稱為戴森球。
遙遠的前景
其實戴森球的想法并非沒有先驅(qū)，至少戴森自己就承認有一個，即英國科幻作家斯特普爾頓（W. O. Stapledon）的小說《造星主》（Star Maker，1937），這部小說最近剛剛出版了中譯本。戴森表示，《造星主》啟發(fā)了他，而他則將小說中的想法擴大并從科學上具體化了。不過戴森是認真的，他不是在創(chuàng)作科幻小說，而是在進行科學構(gòu)想。
按照戴森原初的設想，戴森球并非整體剛性的球體（如此巨大的剛性結(jié)構(gòu)在物理上是不可能的），而是幾十組巨大的圓環(huán)，圓環(huán)本身以無數(shù)個小島的形態(tài)分布在太空之中，圍著太陽旋轉(zhuǎn)（有點像我們太陽系中的小行星帶）。所以這種設想也可以稱為戴森環(huán)。
戴森也沒指望將太陽的輻射能量全部吃干榨凈，但哪怕這些戴森環(huán)只能獲得太陽輻射能量的十分之一，也將使地球獲得的太陽輻射能量比目前增長一億倍，夠地球揮霍很久了。
當然困難是巨大的。首先，建造如此巨大的球形或環(huán)形結(jié)構(gòu)——半徑至少要略大于1.5億公里，才可以將地球包容在內(nèi)——用什么材料？從哪里獲得這些材料？就是將整個地球都用上，只怕都遠遠不夠。戴森將目光投向了我們太陽系中最大的行星木星。木星質(zhì)量是太陽系其余行星質(zhì)量之和的兩倍。拆了木星，大約夠建造戴森球用的了。
然而，木星怎么拆？戴森也有設想。作為一個物理學家，戴森認為可以設法加速木星的自轉(zhuǎn)，加速到一定程度，自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力會破壞平衡，導致木星解體，我們就可以利用木星的碎塊來造戴森球了。為了加速木星自轉(zhuǎn)，需要用巨大的金屬網(wǎng)將木星包裹起來，然后向金屬網(wǎng)輸入電流，使之產(chǎn)生和木星自轉(zhuǎn)方向一致的電磁力，逐漸加速木星自轉(zhuǎn)。在戴森的設想中，這個加速過程大約需要10萬年，需要耗費的電力大約相當于太陽系所有行星自然接受的太陽輻射能量的100倍……
在這樣宏偉而夸誕的史詩般狂想中，許多細節(jié)當然還來不及規(guī)劃。例如，考慮到木星是太陽系中最大的行星，質(zhì)量達到太陽的約千分之一，其他行星的軌道都受到來自木星的攝動，太陽系整體作為一個力學結(jié)構(gòu)，基本上是穩(wěn)定的，而一旦木星解體，必然會對這一力學結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不容忽視的擾動。這種擾動的后果是難以預料的，太陽系能夠平穩(wěn)過渡到?jīng)]有木星的新穩(wěn)定狀態(tài)，還是在此過程中發(fā)生一場浩劫？又如，木星是氣體星球，解體后如何解決氣體的逃逸問題？再如，包裹木星的金屬網(wǎng)如何建造？產(chǎn)生電磁力所需的巨大電流如何產(chǎn)生并輸往木星金屬網(wǎng)？
戴森球設想提出至今已過60多年，它的實施——如果有可能的話——必定在極為遙遠的將來。但戴森的設想啟發(fā)了科幻和游戲作品的靈感，在那些作品中，戴森球經(jīng)常被想象為剛性的球狀實體。
（作者系上海交通大學講席教授，科學史與科學文化研究院首任院長）
一個星球上出現(xiàn)智慧生物，發(fā)展出了文明，對能源的需求就會快速增長。目前地球人類就處在這樣的狀態(tài)中。我在“地球流浪之后：第三堂令人沮喪的算術課”一文中，曾用2019年的數(shù)據(jù)估算出當時地球的全年能耗總量，相當于太陽投射到地球的總能量的約萬分之一。
在這個全球總能耗中，主要取自煤炭、石油、天然氣，但這些傳統(tǒng)能源歸根結(jié)底也是太陽能的存儲，另外還有核能和直接的太陽能等新能源，直接利用的太陽能目前仍只占全球總能耗中很小一部分。
但是，文明發(fā)展過程中對能源的需求是沒有止境的，特別是進入工業(yè)化之后，這種需求會快速增長。例如，2018年全球總能耗（198億噸標準煤）就比上一年增長了2.9%。這個年增長率看上去似乎不高，但假定以這個年增長率持續(xù)下去，只要320多年，全球總能耗就可以增長到目前的一萬倍。
地球上的傳統(tǒng)能源不久終將枯竭——各種估計大相徑庭，比較樂觀的一種是，以目前的全球總能耗計算（未考慮逐年增長），地球能源還能使用數(shù)百年。另一個重要的能源是核能，目前的裂變核能主要以核電的形式被利用，效率不高，核廢料問題又很大，人類只有搞成聚變核能才可高枕無憂，然而那一天卻又遙遙無期。利用聚變核能，理論上的藍圖早就有了，但技術手段上始終難以突破。
所以，人類在能源問題上最終的出路，最有希望的還是利用太陽能。戴森球，可以說就是對人類利用太陽能的終極展望。
戴森球的設想
根據(jù)人類目前對恒星和太陽的知識，太陽每分鐘向地球軌道上1平方厘米的面積投射1.97卡的能量，比較專業(yè)的說法是“太陽常數(shù)=1.97卡（平方厘米/分鐘）”，再考慮地球的實際尺度，就可以得出地球每年從太陽獲得的總能量——這里我們只需知道這個總能量是目前地球全年總能耗的約一萬倍即可。
這也就是說，如果地球耗光了傳統(tǒng)能源，又不考慮核能（畢竟目前核能在全球總能耗中占比還很小），那么我們從太陽對地球的輻射中，最多能獲得目前全球總能耗的約一萬倍的能源。我們還知道，按人類目前對能源需求的增長速度，只需320多年，就會達到目前全球總能耗的一萬倍這個極限。
即使我們能夠?qū)⑻栞椛涞降厍蛏系哪芰咳课绽�，幾百年后能源需求增長到上述極限之后怎么辦？戴森球就是要設法解決這個問題。
戴森（Freeman Dyson，1923～2020）是美籍英裔物理學家，早年在量子電動力學領域有過重要貢獻，是可以列入物理學大師行列的人物，后來長期在普林斯頓高等研究院工作。在這個適合閑人胡思亂想研究無用之學的地方，戴森也旁騖了不少別的領域，比如星際航行之類。戴森球的設想，也可以視為這種旁騖的成果之一。
和巨大的太陽相比，地球好比遙遠距離（1天文單位，即地球繞日公轉(zhuǎn)軌道的半徑，約1.5億公里）處的一顆小豆子，這顆小豆子接受到的太陽輻射能量，雖然有目前全球總能耗的約一萬倍，但對于全方位的太陽輻射能量來說，顯然只是極小極小的一部分。
太陽的輻射總能量，絕大部分都在無垠的太空中白白浪費了，我們地球依靠太陽的自然照射，能夠得到其中的多少份額呢？戴森已經(jīng)估算過了，大約是十億分之一。
換句話說，我們地球從太陽自然照射中得到的總能量，雖然是目前地球全球總能耗的約一萬倍，但這只是太陽總輻射能量中的約十億分之一。戴森球的想法，就是要讓地球這顆小豆子，從太陽輻射能量的這十億分之一外，盡可能再多拿到一些。
1960年戴森在Science雜志上發(fā)表了一篇短文，提出了戴森球的想法：一個足夠先進的行星文明，應該有能力建造一個球形結(jié)構(gòu)，將自己和自己的恒星（太陽）包裹在里面，這樣太陽的很大部分輻射能量就可以被采集起來，供該文明使用。此后人們就將這種想象中的球形結(jié)構(gòu)稱為戴森球。
遙遠的前景
其實戴森球的想法并非沒有先驅(qū)，至少戴森自己就承認有一個，即英國科幻作家斯特普爾頓（W. O. Stapledon）的小說《造星主》（Star Maker，1937），這部小說最近剛剛出版了中譯本。戴森表示，《造星主》啟發(fā)了他，而他則將小說中的想法擴大并從科學上具體化了。不過戴森是認真的，他不是在創(chuàng)作科幻小說，而是在進行科學構(gòu)想。
按照戴森原初的設想，戴森球并非整體剛性的球體（如此巨大的剛性結(jié)構(gòu)在物理上是不可能的），而是幾十組巨大的圓環(huán)，圓環(huán)本身以無數(shù)個小島的形態(tài)分布在太空之中，圍著太陽旋轉(zhuǎn)（有點像我們太陽系中的小行星帶）。所以這種設想也可以稱為戴森環(huán)。
戴森也沒指望將太陽的輻射能量全部吃干榨凈，但哪怕這些戴森環(huán)只能獲得太陽輻射能量的十分之一，也將使地球獲得的太陽輻射能量比目前增長一億倍，夠地球揮霍很久了。
當然困難是巨大的。首先，建造如此巨大的球形或環(huán)形結(jié)構(gòu)——半徑至少要略大于1.5億公里，才可以將地球包容在內(nèi)——用什么材料？從哪里獲得這些材料？就是將整個地球都用上，只怕都遠遠不夠。戴森將目光投向了我們太陽系中最大的行星木星。木星質(zhì)量是太陽系其余行星質(zhì)量之和的兩倍。拆了木星，大約夠建造戴森球用的了。
然而，木星怎么拆？戴森也有設想。作為一個物理學家，戴森認為可以設法加速木星的自轉(zhuǎn)，加速到一定程度，自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力會破壞平衡，導致木星解體，我們就可以利用木星的碎塊來造戴森球了。為了加速木星自轉(zhuǎn)，需要用巨大的金屬網(wǎng)將木星包裹起來，然后向金屬網(wǎng)輸入電流，使之產(chǎn)生和木星自轉(zhuǎn)方向一致的電磁力，逐漸加速木星自轉(zhuǎn)。在戴森的設想中，這個加速過程大約需要10萬年，需要耗費的電力大約相當于太陽系所有行星自然接受的太陽輻射能量的100倍……
在這樣宏偉而夸誕的史詩般狂想中，許多細節(jié)當然還來不及規(guī)劃。例如，考慮到木星是太陽系中最大的行星，質(zhì)量達到太陽的約千分之一，其他行星的軌道都受到來自木星的攝動，太陽系整體作為一個力學結(jié)構(gòu)，基本上是穩(wěn)定的，而一旦木星解體，必然會對這一力學結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不容忽視的擾動。這種擾動的后果是難以預料的，太陽系能夠平穩(wěn)過渡到?jīng)]有木星的新穩(wěn)定狀態(tài)，還是在此過程中發(fā)生一場浩劫？又如，木星是氣體星球，解體后如何解決氣體的逃逸問題？再如，包裹木星的金屬網(wǎng)如何建造？產(chǎn)生電磁力所需的巨大電流如何產(chǎn)生并輸往木星金屬網(wǎng)？
戴森球設想提出至今已過60多年，它的實施——如果有可能的話——必定在極為遙遠的將來。但戴森的設想啟發(fā)了科幻和游戲作品的靈感，在那些作品中，戴森球經(jīng)常被想象為剛性的球狀實體。
（作者系上海交通大學講席教授，科學史與科學文化研究院首任院長）
作者： 來源：一財網(wǎng) 責任編輯：jianping
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