弗里曼·戴森：宇宙文明的設(shè)計(jì)者

彭永清

2020年2月28日，美籍英裔物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家和作家，美國(guó)普林斯頓高等研究所名譽(yù)教授弗里曼·戴森在新澤西州普林斯頓附近的一家醫(yī)院去世，享年96歲。戴森被冠以“傳說(shuō)中的理論物理學(xué)家”的稱號(hào)，他一直致力于量子力學(xué)、原子力學(xué)和數(shù)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的研究，并對(duì)宇宙的生命和智慧進(jìn)行認(rèn)真考察。其領(lǐng)導(dǎo)的“獵戶座計(jì)劃”和提出的“戴森球”（人造天體）理論，讓全世界的少男少女為之心動(dòng)。

從軍的遺恨

1923年12月15日，戴森出生于英國(guó)東南部的伯克郡。從幼年時(shí)期起，戴森就非常喜歡鉆研物理和數(shù)學(xué)問(wèn)題。17歲時(shí)，戴森進(jìn)入劍橋大學(xué)，跟隨著名的數(shù)學(xué)家G.H.哈代研究數(shù)學(xué)。但是由于“二戰(zhàn)”爆發(fā)，戴森被迫停止學(xué)業(yè)，入伍到英國(guó)皇家空軍作戰(zhàn)研究部門工作。那是一個(gè)原本從事戰(zhàn)略研究的部門，可以說(shuō)是英國(guó)皇家空軍的首腦部門。在這里，戴森利用數(shù)學(xué)知識(shí)解析英國(guó)皇家空軍轟炸機(jī)的損害狀況，發(fā)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)豐富的飛行員與初出茅廬的飛行員在戰(zhàn)斗中的死亡率沒(méi)有太大差別。雖然英國(guó)皇家空軍官宣稱飛行員經(jīng)驗(yàn)越豐富，在與敵機(jī)相遇時(shí)越能夠更迅速地向?qū)Ψ桨l(fā)起攻擊，從而死亡率就越低，但戴森通過(guò)分析認(rèn)為，這是一個(gè)錯(cuò)誤結(jié)論。另外，戴森還向英國(guó)皇家空軍提出，國(guó)產(chǎn)轟炸機(jī)如果不安裝兩個(gè)機(jī)關(guān)槍座的話，可以提高轟炸機(jī)的返回率。據(jù)戴森分析，機(jī)關(guān)槍座不僅無(wú)法有效抵御德國(guó)戰(zhàn)機(jī)，而且還會(huì)使轟炸機(jī)的飛行速度下降。然而，戴森作為一名年輕的數(shù)學(xué)家，其研究結(jié)果和提案并未引起英國(guó)皇家空軍干部的重視。當(dāng)時(shí)，英國(guó)皇家空軍干部們采取何種戰(zhàn)略和方針，并非取決于這些戰(zhàn)略和方針是否正確，而是具體的決策者是誰(shuí)。年輕的戴森在他的上司面前可謂人微言輕、不值一提，因此他的正確提案根本沒(méi)有讓英國(guó)皇家空軍高層采納，也未能阻止英軍之后對(duì)德國(guó)的大空襲。

1945年2月13日夜晚，英國(guó)皇家空軍大編隊(duì)對(duì)德國(guó)城市德累斯頓進(jìn)行了大規(guī)模轟炸，造成約2.5萬(wàn)—6萬(wàn)名無(wú)辜民眾身亡。這一人類歷史上最大規(guī)模的空襲（幾個(gè)月后被美國(guó)兩次向日本投放原子彈刷新）令大量德國(guó)無(wú)辜平民喪生，而且令眾多英國(guó)青年志士深感愧疚，同時(shí)也成為戴森一生中抹不去的遺恨。

與諾獎(jiǎng)擦肩而過(guò)

“二戰(zhàn)”結(jié)束后，無(wú)論是戰(zhàn)勝國(guó)還是戰(zhàn)敗國(guó)的研究人員都重新回到了研究崗位。戴森也一樣，到了美國(guó)康奈爾大學(xué)研究生院，跟隨德國(guó)籍核物理學(xué)家漢斯·貝特教授從事物理研究工作。在1946—1948年的3年時(shí)間里，當(dāng)時(shí)才20多歲的戴森就證明了哈佛大學(xué)教授施溫格與東京文理科大學(xué)教授朝永振一郎發(fā)展的變分法方法，同康奈爾大學(xué)副教授費(fèi)曼的路徑積分法的等價(jià)性，為量子電動(dòng)力學(xué)的建立做出了決定性貢獻(xiàn)。1949年，戴森發(fā)表了重磅論文《朝永—施溫格和費(fèi)曼的電磁放射性理論》，從此量子電動(dòng)力學(xué)誕生。但是，由于諾貝爾獎(jiǎng)項(xiàng)最多只能由三人同時(shí)獲得，因此，瑞典皇家科學(xué)院在1965年向朝永、施溫格和費(fèi)曼頒發(fā)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)時(shí)，不得不將戴森排除在外。雖然之后戴森獲得了無(wú)數(shù)獎(jiǎng)項(xiàng)，但始終與諾貝爾獎(jiǎng)無(wú)緣。

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主楊振寧對(duì)戴森未能獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)曾表示了自己的看法，他認(rèn)為，諾貝爾評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)因?yàn)闆](méi)有同時(shí)承認(rèn)戴森的貢獻(xiàn)而鑄成了大錯(cuò)。朝永、施溫格、費(fèi)曼并沒(méi)有完成重正化綱領(lǐng)，他們只做了低階的計(jì)算；只有戴森敢于面對(duì)高階計(jì)算，并使這一綱領(lǐng)得以完成。在他那兩篇極富洞察力的高水平論文里，戴森指出了這種非常困難的分析的主要癥結(jié)所在并且解決了問(wèn)題。他定義了本原發(fā)散性、骨架圖以及重疊發(fā)散等概念，并且利用這些概念對(duì)問(wèn)題作了深刻分析，完成了量子電動(dòng)力學(xué)可以重正化的證明。

領(lǐng)導(dǎo)“獵戶座計(jì)劃”

1958年，戴森作為核心成員加入到美國(guó)NASA重返月球的“獵戶座計(jì)劃”中。該計(jì)劃是一項(xiàng)旨在直接以探測(cè)器后方一連串的原子彈爆炸來(lái)驅(qū)動(dòng)（核脈沖推進(jìn)），即利用少量的核燃料產(chǎn)生的巨大能量來(lái)作為火箭推力的航天器研究計(jì)劃。它肩負(fù)著各項(xiàng)使命，其中有一個(gè)宏大的星際計(jì)劃，包括防御小行星和太空采礦。當(dāng)時(shí)，該設(shè)計(jì)計(jì)劃于1965年實(shí)現(xiàn)火星登陸、1970年到達(dá)土星，可謂是一項(xiàng)極其大膽的計(jì)劃。

現(xiàn)在使用的化學(xué)火箭，其大部分體積被燃料箱占據(jù)，因此需要巨大的能量才能克服重力上升。由于大部分的能量都被用來(lái)舉起沉重的燃料箱和龐大的燃料，所以即使花費(fèi)了巨大的燃料，送到宇宙空間的有效載荷也少得可憐。不過(guò)，如果使用核動(dòng)力火箭，由于燃料變得非常輕，因此對(duì)火箭的飛行幾乎不造成影響。這樣，核燃料可以更加有效地推進(jìn)火箭本體更快飛行至更遠(yuǎn)的太空。而且，使用核動(dòng)力火箭還可能將“太空殖民地”那樣的巨大建筑物帶入太空，如將酒店那樣環(huán)境舒適的住宅區(qū)送入火星、土星或更遠(yuǎn)的太空，甚至可能成為往返于恒星之間的宇宙飛船。

但是，由于該計(jì)劃存在放射性污染的危險(xiǎn)，隨著1963年8月5日《部分禁止核試驗(yàn)條約》（該條約禁止在宇宙空間進(jìn)行核實(shí)驗(yàn)，而核火箭研發(fā)就屬于條約禁止的內(nèi)容）的頒布并生效，該計(jì)劃事實(shí)上已經(jīng)結(jié)束。不過(guò)戴森認(rèn)為，即使沒(méi)有頒布該條約，“獵戶座計(jì)劃”也未必能夠成功。核火箭在通過(guò)小型核炸彈連續(xù)爆炸產(chǎn)生的推力不斷飛行時(shí)，拋棄的放射性廢物會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。通過(guò)計(jì)算，戴森得出了核火箭致癌死亡率增加的結(jié)論，因此認(rèn)為應(yīng)該放棄此計(jì)劃。戴森對(duì)于加入該計(jì)劃并工作了15個(gè)月的經(jīng)歷感覺(jué)很好，稱那是“自己在研究生涯中度過(guò)的最激動(dòng)人心、具有多重意義的幸福時(shí)光”。

1960年，當(dāng)時(shí)在普林斯頓高等研究院工作的戴森提出了一個(gè)大膽而且充滿誘惑力的方案，即一種利用足夠先進(jìn)的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)限燃料供應(yīng)的構(gòu)想。戴森認(rèn)為，像地球這樣的行星，本身蘊(yùn)藏的能源是非常有限的，遠(yuǎn)不足以支撐其文明發(fā)展到高級(jí)階段，而一個(gè)恒星所產(chǎn)生的絕大部分輻射能都被浪費(fèi)掉了。目前人類能從太陽(yáng)系各行星接收到的輻射能可以說(shuō)是微乎其微。而一個(gè)高度發(fā)達(dá)的文明，必然有能力將太陽(yáng)用一個(gè)巨大的球狀結(jié)構(gòu)包圍起來(lái)，使得太陽(yáng)的大部分輻射能量被截獲，以長(zhǎng)期支持這個(gè)文明，使其發(fā)展到足夠的高度。這一被稱為“戴森球”的構(gòu)想，指的是一個(gè)足夠發(fā)達(dá)的文明通過(guò)建造一個(gè)由接受器和能量轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的球，就可以最大限度地利用目標(biāo)恒星的能量。

但是，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的前提是人類文明要達(dá)到遠(yuǎn)比現(xiàn)在發(fā)達(dá)的水平。因此，就目前而言，戴森的這一構(gòu)想只能是一種“奇想”，雖然理論上可行，但實(shí)際上難于上青天。作為一名理論物理學(xué)家，戴森還寫(xiě)了數(shù)部?jī)?yōu)秀的隨筆和科學(xué)論文，以謙遜的筆觸發(fā)表了對(duì)宇宙的各種猜想，受到眾多少男少女甚至中老年人的喜愛(ài)，令他們對(duì)人類未來(lái)開(kāi)發(fā)利用宇宙資源確信無(wú)疑。

極富想象力的科學(xué)家

戴森是一個(gè)富有想象力的科學(xué)家，他夢(mèng)見(jiàn)了人類文明有一天已經(jīng)擴(kuò)展到整個(gè)宇宙。不僅僅是夢(mèng)見(jiàn)，戴森還提出了利用基因工程學(xué)培育植物以及在彗星居住的太空移民等佐證科學(xué)見(jiàn)解與自由猜想的諸多方案。戴森認(rèn)為，在考慮宇宙長(zhǎng)遠(yuǎn)的未來(lái)是怎樣的景象時(shí)，必須正視智慧生命的作用。他說(shuō)，我們不是單純的觀察者，應(yīng)該成為宇宙的主人公。自然法則的構(gòu)成，是盡可能將宇宙變得生動(dòng)有趣。

戴森還是一個(gè)注重解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的人。他參與了早期原子反應(yīng)堆和核動(dòng)力飛船的研發(fā)。以他為主導(dǎo)開(kāi)發(fā)的小型反應(yīng)堆已經(jīng)被醫(yī)療和研究機(jī)構(gòu)用來(lái)制造放射性同位素。同時(shí)，他還竭力主張廢除核武，以常規(guī)武器來(lái)擴(kuò)充軍備。

想象力極其豐富的戴森，也是一個(gè)寬容和頗有人情味的人。1976年，戴森被選為普林斯頓市審議會(huì)委員，參與是否同意普林斯頓大學(xué)建立轉(zhuǎn)基因研究所的討論。該委員會(huì)有11名市民參加，其中有牧師、攝影家和黑人領(lǐng)袖等三人對(duì)此表示強(qiáng)烈反對(duì)。他們認(rèn)為，建立轉(zhuǎn)基因研究所不僅危害公共衛(wèi)生，而且會(huì)受到倫理譴責(zé)。作為委員會(huì)中的一員，戴森理解并傾向于三人的想法，因此希望在正反兩派中尋找到妥協(xié)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)9個(gè)月的討論，普林斯頓市政府最終決定禁止建立這個(gè)絕無(wú)僅有的轉(zhuǎn)基因研究項(xiàng)目。盡管次年在多數(shù)派的強(qiáng)烈要求下，普林斯頓政府同意普林斯頓大學(xué)進(jìn)行在一定條件下的轉(zhuǎn)基因研究，但戴森為妥善解決此項(xiàng)目的爭(zhēng)議所做的努力是有目共睹的。