能不能找到外星文明全靠它：宇宙级科学构想戴森球到底是什么？
戴森球是一种设想中的巨型人造结构，由弗里曼·戴森先生提出。这样一个“球体”是由环绕太阳的卫星所构成，完全包围恒星并且获得其绝大多数或全部的能量输出。戴森认为这样的结构是在宇宙中长期存在并且能源需求不断上升的文明的逻辑必然，并且他建议搜寻这样的人造天体结构以便找到外星超级文明。
▲弗里曼·戴森
从那时起，各种各样的设计，包括建造人工天体或一系列这样的结构以便包围太阳，便不断地由一些狂想的工程学家或科幻小说所提出，并冠以“戴森球”之名。这些后续的设想没有仅仅在从太阳能收集站上止步-许多工程设计还包括建设人类殖民地和工业基地。概念的起源戴森球概念源自于美国物理学家兼数学家弗里曼。戴森的思维试验，他认为：每个人类技术文明对能源的需求是恒定地增长着，如果人类文明能够延续足够长的时间，那必然有一天他的能源需求会膨胀到要利用太阳的全部能源输出。他认为此时就有必要建立环绕太阳的壳状轨道结构以便用来收集由太阳输出的全部能源。戴森没有从细节上叙述如何建立这样一个结构，而只是集中描述能源收集的问题。戴森据信是第一个正式从学术上提出戴森球概念的学者，他的论文见于1959年《科学》杂志上的《人工恒星红外辐射源的搜寻》。但是戴森球的概念是由1937年的科幻小说《造星者》所影响，并且有可能受到了曾经研究过相关方面的I.D.Bernal和Raymond Z.Gallun著作哦影响。可行性当有人认为这些设计-特别是那些以戴森壳为基础的蓝图是不切实际的时候，现代轨道环绕卫星或太阳帆技术已经得到发展并能进行一定的实际应用，并不需要任何主要的理论上的突破，而这种技术却是可以用来建造戴森球结构。当代太空飞船和卫星的应用可以看作为朝向建造戴森群的小小的第一步。然而，建设戴森球需要极其巨大数量的人造卫星和太空飞船，而当前人类却远远没有制造如此数量的人造卫星和太空飞船工业生产能力，这是戴森球最大的生产力的瓶颈！有可能在这样一个建设工程中会有很多目前无法预见的工艺问题，而当前人类对工业自动化的理解和应用是远远不够来建造和维护这样一个自维护系统。戴森球的各种变体在许多设计中，戴森球概念经常被理解为一个环绕太阳的人工物质球体。在回复有关他的论文的信中，戴森说，“一个包围太阳的坚固的壳或环从力学上是不可行的。我设想的一个生物圈的形式是由松散的太阳能收集器或独立环绕太阳轨道的卫星云（SWARM）组成。变体1，戴森云（Dyson Swarm）
▲戴森环示意图，其上每一个像素都是同轨道的太空站点，围绕中心的太阳旋转。
▲戴森云示意图，戴森云是由多轨道的戴森环组成
戴森云由巨大数目密集环绕太阳的独立结构（通常为太阳能收集卫星和空间定居点）组成，有点类似于量子力学中所说的“电子云”。建设一个戴森云有这样几个优势：建造的元件可以有范围很广各种各样的尺寸选择，这样便能逐步逐步在一个很长的历史时期内建设。不同形式的无线能量传输能用于在不同的结构之间传输能量。这样的一个“云”也有其劣势。轨道力学规律决定了戴森云的轨道运行将会极度复杂。最简单的一个例子是戴森环：所有的太阳能收集器独立结构共享同一个轨道。许多复杂的多环模式将拦截更多的太阳能输出，但当轨道重叠时会导致周期性的日蚀。另外的潜在问题是增加轨道不稳定，当增加更多的轨道结构，就会增加其他机构轨道混乱的可能性。
在以下我会继续描述，这样一个太阳能收集器的“云”将会改变恒星系统向宇宙发散的星光的强度，但可以想见的是，它不会完全遮蔽恒星的光线，太阳光仍将在其发散的光谱中存在。变体2，戴森壳这一戴森球的变体经常以“戴森壳”为题在科幻小说中描述：一个独特的坚固的环绕太阳的物质壳体。不像戴森云，这一结构将完全改变居于其中央的星体的光线发散，并且拦截住100%的恒星能量输出。这样一个结构将需要提供一个巨大无比的表面用于给予预想中的人类殖民者提供定居处，如果这一表面能够提供这样的条件的话。若在我们太阳系中建造的戴森壳的直径是一天文单位距离（地日距离），则戴森壳内壁上任意一点上将接受同等数量的太阳光照射，这正像地球一样。此内壁的面积至少为2.72x1017 平方公里，等同于55亿倍于地球的表面积，这将拦截全部4x1026瓦特的太阳能量输出；而其他的变体将比它拦截的更少。太阳的能量输出大概是人类社会在1998年消耗的全部能量1.2x1013 W的3.3x1013倍这样一个壳体模型没有考虑到将太阳包含在内其自身的重力交互作用，并且将有可能太阳作用力的影响而发生偏移。如果发生这样的偏离运动得不到纠正，就可能导致最终在球体和太阳直接的碰撞，很有可能导致灾难性的结果。这样的结构需要某种形式的推进力去抵消偏离，或者一些办法来使得壳体远离太阳。出于同样的理由，这样一个壳体模型没有考虑到在壳体内部任何其他物质与其自身重力交互影响。任何置于壳体内部的生物圈将不会被吸引到球体的表面，而是会吸入太阳之中。有些设想中包括生物圈能包含在两个同心球之中，置于旋转球体之中（有的版本的人工重力垂直于旋转轴，造成置于球体的物质集中于赤道之上，非常有效地使得球体类似于尼文环以便与人类定居）假设在一个天文单位的半径上，那么建造壳体的物质的压缩力是非常巨大的。在壳体上任选一点来检测的话，都会发现该点处于一个天文单位距离太阳重力作用下的圆形壳体压力。没有任何已知的或理论上存在的物质能够坚韧到承受如此强大的压力，并且能够用来建造环绕太阳的一个刚性的，静态的壳体。Paul Birch(提出建造Supra-木星方案来环绕巨行星以替代太阳)建议可以通过类似用于太空基地的动态方法来支撑戴森壳。物质在壳体内部的环形轨道上，以高于轨道速度的速度运动，将由离心力向外压。对于环绕太阳这样质量的恒星一个天文单位的戴森壳，物质运动速度10倍于轨道速度（297.9km/s）将支撑99（重力加速度）倍其自身质量附加于壳体结构结构上。这些不同的轨道承受着相同的困难，正如戴森云一样，不能确定多少能量将被消耗在维持物质的高速运转。样如果要建立一个天文单位半径的戴森壳，太阳系物质的总量也许还不够。戴森最初估计在1天文单位处造内壁厚度为3米的戴森壳，太阳系的物质可能还不够，甚至于还包含了氢，氦这种太阳系中丰度极高的物质，而氢和氦不似重金属一样能够直接作为建筑材料。也许可以通过核聚变使得氢和氦转变为重金属。而Anders Sandberg估计太阳系中有1.82 × 1026 kg的物质能够直接拿来作为建材，足够用来建造一个天文单位的戴森壳，而这样的壳体密度可达600 kg/m²，大概8至20厘米厚，这取决于物质的密度。这包括了气体巨行星的物质（如木星，土星，海王星，天王星），可能不容易到手；单单内行星（水星，金星，地球，火星）能贡献仅仅11.79 × 1024的质量，对于一天文单位的壳体来说密度则只为42 kg/m²。这样的戴森壳对于星际天体，如彗星和刘星体来说是脆弱的。更进一步说，这样的壳体对于剧烈的太阳活动，如弓形激波等来说，也是脆弱的。变体3，戴森泡
▲戴森泡示意图，它不是由同轨道的太空站点构成，而是由一个个独立的太阳帆船构成。
第三种形式的戴森球是“戴森泡”。类似于戴森云，有许多独立的结构组成（通常为太阳能收集卫星和太空殖民地），同样也是可以组建地建立起来。
不同于戴森云，此方案不是用环绕轨道的方法，而是通过太阳帆卫星-即通过巨大的承受光压压力的太阳帆来抵消太阳的重力拉力的太阳能收集卫星。这样的结构可能处于冲撞或将别者挡住其中部件阳光的危险之中；各个结构对于太阳来说可能是完全静止的，并且相互独立。当光压和来自太阳的重力是恒定的，无视距离（假设太阳帆卫星在于太阳的直接距离没有被其他物体所挡住），这样哦太阳帆卫星之间不同可能存在于太阳的直线距离。
此方法的实践对于现代材料科学来说是可质疑的，但却还不能被排除。环绕太阳的太阳帆卫星将有一个总密度为0.78g/m²的帆。为便于阐明所需材料不需要很大质量，想一下半径为1天文单位的这样一个戴森泡需要的质量将为2.17 × 1020 kg，而小行星智神星的质量就大抵如此。
然而即使利用这样少的物质制造太阳帆卫星也是超过人类的技术能力的；人类目前能制造的碳纤维太阳帆无载重的重量是3 g/m²，四倍终于该设想所需要的材料。然而，预计会出现通过分子机器人的实现超轻碳纳米管的制造方案，这样造出来的物质密度会低于0.1 g/m²。如果制造这样的物质在工艺上是可行的，那么就可以利用于轻太阳帆之上，这样带有索具的太阳帆密度可以保持在0.3 g/m²左右。如果这样的太阳帆能得到应用，则类似于L5 Society太空定居点500平方公里，可以住1百万居民，物质总量为3 × 106吨-就能通过圆形3000公里直径的圆形太阳帆来维持，而这样的定居点总重为5.4× 106吨。做比较的话，这个定居点的长度大概就比木星的卫星欧罗巴的直径稍微小一点（虽然这样的太阳帆是扁平的，不是球体），或者说从旧金山到堪萨斯的距离。然而这样一个结构的质量只比许多小行星要小一点。虽然建设这样一个巨大人口的太阳帆定居点将会得到巨大的支持，但是从材料科学上来说还有许多不确定因素，但比起其他类型的戴森球变体所需要的技术来说却是切合实际多了。理论上，如果造出并放置了足够的太阳帆卫星来环绕太阳，那么就能组成一个非固定的戴森壳。这样一个壳体并无承受大质量物质压缩里的缺点，也不需要建立一个固定结构的戴森球所需要的超大质量。然而这样一个壳体，将会有着跟固定结构的戴森壳一样的光学和热力学特性，可以被宇宙的其他文明通过一定的检测方式来侦测到。其他形式的戴森球变体有一种可能的形式为“戴森网络”，一个围绕着恒星的绳索网络，以便使得能量收集单位能在绳索之间固定。戴森网络是一种戴森壳或戴森泡的一种减少形式，然而，这取决于这样的绳索如何抵抗恒星的重力。在科幻小说《环形世界》中，有着一种特定形式的戴森球。其作者拉里尼文提出了这样一个概念，即“一个在戴森球和行星之间的中间过渡”。环形世界也许可以描述为戴森球上的一片（可以考虑为戴森球的赤道），通过人工重力来旋转，主要用于定居点而不是能量收集区域。类似于戴森壳，环形世界如果没有积极的外来干预来抵消恒星的重力来保证它置于原位，那么它将是不稳定的。泡世界也是人工建筑，由环绕着太空中的氢气体云的居住空间所组成。这样的壳中包含空气，人类，建筑，等等。这样的概念是用于回答“最大的空间殖民地如何建造”。然而大多数的这样的空间是没有价值的，因为那里没有能源。理论上说，任何气体巨行星（木星，土星，天王星，海王星等）能被包入一个固体壳之中；在一定的半径上表面重力将类似于地球，并能够收集该行星上散发出的热能。恒星引擎也是一种设想中的巨型结构，主要用于集中来自于恒星的有用能源，有时用于特定的目的。例如，《Matrioshka brains》集中能量用于计算。《Shkadov thrusters》集中能量用于推动。一些有目的的恒星引擎设计也是以戴森球为基础的。黑洞替代恒星能够成为能量的源泉，因为能增加能量-物质的转化效率。一个黑洞可以比恒星更小。这将减小通讯的距离，这对于一个以计算机为基础的文明来说是非常重要的。
注：本文部分图片来源于网络。
本文作者：暴走狂人
