戴森球：恒星能量捕獲器

路西

人類對能源總是充滿了渴望，這一點從各種各樣的超級英雄電影中就可以看出。從鋼鐵俠戰衣的冷核聚變反應堆，到電影《黑豹》中的振金戰衣，再到電影《海王》中的無限能源等，高智能社會總是與能源聯系在一起。

在現實生活中，隨著文明的發展，我們對能源的需求也將飛速增長。為了向更高級的文明躍進，人類最終將不滿足于地球上的能源而向太陽求助。

1959年，物理學家弗里曼·戴森就設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構，與卡爾達肖夫Ⅱ級文明相對應。從提出以來，戴森球就成為了天體物理學和工程學的一個重要研究課題。那么，戴森球應該是什么樣的呢？我們又如何建造它呢？

戴森殼

在戴森提出自己建議的時候，他就設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實。

首先，建造包裹恒星的巨型結構需要大量的材料，可能比太陽系現有的固體材料還多。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，該速度是光速的0.4%，相當于一周多一點的時間內繞著太陽轉完一周。此時，戴森殼所承受的內應力也是巨大的，目前沒有任何已發現的材料能夠承受。

不過，雖然戴森殼對于太陽這么大的恒星來說不太實際，但是對于像M類紅矮星（恒星質量小于0.4倍太陽質量）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，且實心球殼的質量足夠大，能夠在表面產生重力作用，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。這對我們尋找外星人也是一個啟示，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，抵消自身重量帶來的引力。

戴森云的優點是可以分步建造，我們可以先發射一顆衛星，再將這顆衛星收集的能量應用在下一顆衛星上。不過，當越來越多的衛星圍繞太陽旋轉時，衛星軌道的配置就會變得很困難，科學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。而且衛星與彗星、小行星和流星的碰撞會破壞軌道的排列，而且與其他行星的引力相互作用也會影響衛星軌道。另外，由于戴森云中單個衛星的表面積和質量相對較小，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，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星組成。不同之處在于，這些衛星并沒有被放置在圍繞恒星運行的軌道上，而是被放置在一個黃金距離上。在這個距離上，來自太陽風和輻射的壓力正好等于太陽對衛星的引力，這使得每顆衛星完全靜止。

從理論上講，一個文明國家可以持續增加更多的衛星，直到整個恒星被覆蓋，相當于創造了一個戴森殼。同時，它還消除了其他衛星導致日食的可能性，因為每個衛星都保持靜止。

然而，構建戴森氣泡可能比構建戴森云更加困難，因為引力相互作用和碰撞對它的影響更大。重力效應或撞擊不會使戴森云完全失去作用，大多數情況下，它們只是使衛星偏離軌道。然而，靜止的戴森氣泡得益于所有衛星排列組成的精確結構，一個非常小的相互作用可能會破壞整個結構的穩定性，從而可能導致它們落入太陽。因此，戴森氣泡需要非常先進的控制系統。當然，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，構造戴森云對于我們來說更加實際。

假設戴森云的軌道半徑為1個天文單位（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太陽，也需要非常多的衛星和建造衛星所需的材料。同時，制造衛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，它非常靠近太陽，并且富含金屬。水星的質量是3.3×1023千克，其中一半以上都可以用作原材料，生產太陽能收集器。水星沒有大氣，表面重力僅為地球的三分之一，相對來說，向太空中發送衛星更容易。

另外，太陽能面板的設計應該比較簡單，僅需要很少的維護，就可以在太空長時間漂浮，而且造價便宜。因此，它們最可能是一面面巨大的鏡子，將陽光導向中心收集系統。

由于水星環境比較嚴苛，整個開采原料、建造面板和發射衛星的過程由一批自動化機器完成，包括：太陽能收集裝置、開礦機、精煉機和發射裝置。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、制造和發射衛星。發射的衛星又可以提供更多的能量，因此，衛星發射速度可按指數形式增長。

尋找Ⅱ級文明的蹤跡

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存在于宇宙中了。

例如，2015年，當開普勒空間望遠鏡（專門觀測恒星亮度的變動）對準一顆原本不起眼的恒星——塔比之星時，它的亮度出現了非常奇怪的下降，它的亮度變化完全沒有規則，這排除了行星之類的單個天體圍繞它作軌道運動的可能。許多科學家推測，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：開普勒探測到的可能不止是系外行星，還有可能是高級文明的痕跡。

如果戴森球是Ⅱ級文明發展的必經階段，我們就可以通過一些戴森球可識別的特征，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可識別特征。如果我們目睹了較大規模的日食，但是恒星卻沒有相應的位置擺動（行星會造成恒星輕微晃動），這表明：我們很可能發現了一個戴森云。同樣地，如果我們看到一顆恒星出現了由巨大的、黑暗的天體造成的極其緩慢的日食現象，那么天體很可能是戴森氣泡。因為戴森氣泡相對于恒星靜止，它只會跟著恒星相對于我們緩慢運動，并造成日食。

戴森殼可能更難探測，因為它們完全吸收了恒星發出的所有可見光，所以任何傳統望遠鏡都看不到它們。然而，我們可以探測到戴森殼的輻射——紅外輻射。一般情況下，一個種族并不能100%使用掉戴森殼內表面收集的能量，而且它們利用能量也會產生熱量，剩余的能量會以較低的頻率從外表面輻射出來。如果我們探測到一個非常大的低頻紅外源，那很可能是戴森殼的伴隨效應。

當我們接近星際發展水平時，對宇宙的探索和發現需要更多的能源，充分地利用太陽是必然選擇。無論是何種形式的戴森球，都代表著一個種族成為星際種族的轉折點。

拓展閱讀

卡爾達肖夫等級

1964年，前蘇聯天文學家尼古拉·卡爾達肖夫提出了分類文明發展水平的三個等級，他認為文明的等級與其可以掌握的資源相關，因為文明越是發展，其對能源的需求就越高。

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