戴森球

戴森球（Dyson sphere），在科幻小说中又名戴森壳（Dyson shell）^[2]，是一种设想中的巨型人造结构，由环绕太阳的卫星所构成，包围恒星并获得其绝大多数或全部的能量输出。^[1]

1937年，奥拉夫·斯台普尔顿（Olaf Stapledon）的科幻小说《造星者》（Star Maker）中第一次出现了类似戴森球的概念。^[5]1959年，物理学家弗里曼·约翰·戴森（Freeman John Dyson）在论文《寻找人造恒星红外辐射源》（Search for Artificial Stellar Source of Infra-Red Radiation）中设想了一个由松散的太阳能收集器或环绕太阳独立轨道的卫星云组成的生物圈形式。论文发表在《科学》杂志上。^[4][7]戴森推测，这种结构将是技术文明不断升级的能源需求的逻辑结果，也是其长期生存的必要条件。在天文搜索中检测到的这种球体的特征可能是外星生命的指标。^[8]1964年，卡尔达肖夫（Kardashev）首次使用“戴森球”的名称，并认为戴森球是他所提出的II型文明的典型例子。^[9]

戴森球的原理是利用主星释放的巨大能量来产生能量，它是地球能源问题的一个解决方案，它还能够为生命提供生存空间，促进人类进行宇宙探测。^[3][1][4]建造戴森球的不稳定性来源于重力、辐射压力、推力三个方面。^[7]从建造的可行性方面来考虑，戴森云是更现实的模型。^[10]

2014年，塔贝萨·博亚吉安（Tabetha Boyajian）发现了一颗亮度变化难以解释的恒星（KIC8462852）。一种说法表示，可能是外星文明在它的母星周围建造一个戴森球。但实际情况更可能是围绕恒星运行的尘埃云导致了恒星异常的亮度变化。^[3]

戴森球又名戴森壳，作为一个整体结构的概念，通常出现在科幻小说中。^[2][11]戴森球的主要变体有戴森云、戴森泡，提出变体的目的是提高该结构的可行性。^[11]而戴森云的概念最接近戴森本人提出的结构，且学术上也通常使用戴森云的概念来替代戴森球。^[1]其它变体还有戴森网络、环形世界、泡世界、恒星引擎等，常出现于科幻作品中。^[12][3]

戴森球（Dyson sphere）是一种设想中环绕恒星的巨型壳体结构，用于收集恒星辐射出的能量。^[1]根据戴森的估计，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。以太阳系为例，这种结构是一个“生物圈”，可以利用木星2×1027kg的物质来建造，厚度为2~3m，包围太阳和内部的行星。^[1][4]

戴森云（Dyson swarm）由生物栖息地、卫星和太阳能收集器组成像一张网一样围绕着恒星运行，能量将在各个组件和地球之间无线传输。或者利用镜子将光聚焦到较少数量的收集器上，在很大程度上将太阳从外部视野中遮住，捕获大部分可用的太阳能。^[13][14]

戴森泡（Dyson bubble）类似于戴森云，由许多独立的结构组成，通常以利用太阳帆^[注1]悬挂的Statites卫星来实现包络结构。这些卫星彼此独立，利用太阳光施加在太阳帆上的辐射压力来实现卫星的推进。卫星相对于太阳静止，因此，与戴森云不同的是，戴森泡结构不会环绕太阳运行。^[11]

环形世界是环绕恒星的一个圆环，半径为1AU^[注2]，宽度未知，由拉里·尼文（Larry Niven）于1970年在他创作的同名小说中提出。环形世界的厚度非常小，有足够快的转速以产生离心力充当重力作用。^[12]

1937年，奥拉夫·斯台普尔顿（Olaf Stapledon）的科幻小说《造星者》（Star Maker）中第一次出现了类似戴森球的概念。^[5]书中描述了宇宙中每颗恒星周围的“光陷阱”，能够聚集逃逸的太阳能并将其用于智能用途。从那时起，许多科学家重新审视了戴森球的概念，将其作为寻找外星智能研究（Search for Extraterrestrial Intelligence，SETI）的一个课题。^[3]

在SETI研究初兴时，无线电探测是研究焦点。^[17]1959年，康奈尔大学的物理学家朱塞佩·可可尼（Giuseppe Cocconi）和菲利普·莫里森（Philip Morrison）在《自然》杂志发表《搜寻星际通讯》的论文。文章首次提出智慧生命可能会利用物理上独特而普适的标准频率进行星际通讯。其中一个选择就是中性氢发出的21厘米辐射，利用射电望远镜在这个波段上搜索也许会探测到外星文明发出的信号。基于此无线电探测方法，弗兰克·德雷克（Frank Drake）于1960年使用射电望远镜进行了近四个月的观测（奥兹玛计划）。虽然并未探测到外星文明的信号，但这一观测计划标志着人类利用现代科学和技术手段对外星文明探测的开端。^[9]

1959年，英国物理学家弗里曼·约翰·戴森（Freeman John Dyson）在《科学》杂志上发表了一篇关于探测外星文明方法的论文，标题为《寻找人造恒星源的红外辐射》（Search for Artificial Stellar Source of Infra-Red Radiation）。戴森据悉是第一个正式从学术上提出戴森球概念的学者。^[7][4]戴森在论文中提及自己的想法是受到了《造星者》的启发，且不同于前人提出的无线电探测的方法。^[1]戴森指出，任何先进的文明最终都会扩张到需要太阳系所能提供的所有能量的地步，最终的解决方案是在太阳周围建造一个“外壳”来捕捉它的输出。他推测，地球人可能会通过拆除木星并重新组装碎片来做到这一点。^[8]

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。然而，在回复编辑的审稿意见时，戴森特别澄清，环绕母星的壳层并非一个整体（因为这在力学上是不可能的），他所设想的是一个由松散的太阳能收集器或环绕太阳独立轨道的卫星云组成的生物圈形式。^[7]

1964年，卡尔达肖夫（Kardashev）在论文中首次使用“戴森球”一词，但这一名称偶尔也被用于表示“完整或几乎完整的整体外壳”的概念。^[7]他根据能量的利用把文明化分为三个级别：I型是行星级文明，能量消耗量级在4×1012瓦；II型是恒星级文明，能量消耗量级在4×1026瓦，基本对应于太阳的辐射功率，也就是说这类文明能够利用和控制恒星所能提供的能量，这类文明能成功建造戴森球；III型是星系级文明，可拥有4×1038瓦的能量操控能力，对应于整个银河系恒星的辐射功率。^[9]

1966年，戴森详细阐述了“戴森球”想法背后的工程，表明在太空中建造大型刚性结构（量级达106公里）是没有物理障碍的，这种结构可以非常轻。原则上，行星可以被解构为足够的材料，用以建造一个厚度量级为米的球体。^[7]

直到红外太空卫星（IRAS）投入使用后，科学界才真正开始进行对戴森球的寻找。1985年，斯莱什（Slysh）首次对卫星数据集进行解释，证实了戴森的预测：存在许多明亮的红外星系源；主要困难不是探测这些源，而在于将红外星系源与自然源区分开。^[7]

1987年，什卡多夫（L.M. Shkadov）首次提出恒星发动机（stellar engine）的构想。这是一种能够加速整颗恒星的巨型结构，可以与相关的巨型结构（如戴森球）相结合，以更完整地利用恒星的能量。^[18]

2014年，塔贝萨·博亚吉安（Tabetha Boyajian）发现了一颗亮度变化难以解释的恒星（KIC8462852），引发了科学界对戴森球结构和外星生命的讨论。^[19]

戴森球利用主星释放的巨大能量来产生能量。一些研究人员设想，产生的能量通过某种形式的无线技术可被转移到附近的文明，例如转移到围绕主星轨道运行的宜居行星上。^[3]

牛津大学人类未来研究所的研究员斯图尔特·阿姆斯特朗（Stuart Armstrong）认为“围绕太阳的实际球体是不切实际的”。他认为戴森球的建造的主要问题存在于材料和结构方面：^[13]

防止球体撕裂所需的抗拉强度远超任何已知材料的强度。^[13]

戴森球不会以稳定的方式与它的恒星结合。因为，如果球体的任何部分被推近恒星（例如：通过流星撞击），则该部分将优先被拉向恒星，从而产生不稳定。^[13]

杰森·赖特（Jason T. Wright）总结了整体的戴森球的不稳定性的三个来源：重力、辐射压力、推力。^[7]

虽然目前还没有证据表明戴森球或类似物存在于宇宙中，且这种技术远远超出了目前地球智能的可能性，但关于戴森结构的概念的建设并没有完全不可逾越的障碍。^[3]

戴森指出，将戴森球这个大结构分成较小的组件，每个组件都有助于单个整体球体的总输出，将大大增加构造的便利性。^[1]阿姆斯特朗也同意戴森云是更现实的模型，并在2012年的一次演讲中提供了一个高度抽象的大纲：首先，整个建筑过程将由自动化、可自我复制的机器人完成，机械人将被派往水星开采原材料。在约五十年内，机器人成倍增加，并利用水星上约一半的土地建立成群的面板和卫星。^[14]

根据戴森的说法，在吸收和利用太阳能之后，戴森球结构最终必须重新辐射能量，否则能量积聚会导致戴森球最终融化。对于观察者来说，这意味着包裹在戴森球中的恒星的光可能会变暗（取决于轨道平台的密度），同时在红外波长范围发出奇怪的明亮光。另外，天文学家已经提出了宇宙中可能潜伏着的戴森球数量限制。^[20][3]

恒星发动机是一种能够加速整颗恒星的巨型结构，由一个非轨道的巨型球面或抛物面镜组成，保持在恒星表面上方的固定距离处。恒星发动机的位置是通过平衡其对恒星的引力加速度与它反射的星光产生的辐射压力来保持稳定的，恒星的光度被重定向到与恒星发动机相反的方向，从而使恒星向恒星发动机的方向加速。恒星发动机可以与相关的巨型结构（如戴森球）相结合，以更完整地利用恒星的能量。^[18]

亚历山大· 斯沃罗诺斯（Alexander A. Svoronos）提出了一种主动恒星发动机的替代设计——星际拖船（star tug），相比以前的恒星发动机概念效率更高，加速度更大。星际拖船由一个发动机组成，该发动机沿着所需的加速方向位于星体前方。利用来自戴森球或戴森云的能量，将质量从恒星表面提升到发动机上经历一系列的聚变反应，并作为推进剂朝向恒星的单一方向排出。发动机产生的推力被设置为与发动机和恒星之间的重力相等。因此，动量可一次性从发动机传递到星体，不会造成效率损失。星拖船产生的加速度的补偿可以通过改变发动机的质量或其与恒星的距离，并调整推进剂获取速率和发动机推力。^[18]

戴森认为，像地球这样的行星，本身蕴藏的能源是十分有限，远不足以支撑其上的文明发展到高级阶段，而绝大部分来自恒星的辐射的能量都被浪费掉了。戴森球的提出是出于对能源问题的考虑。^[4]其最有可能的能量来源是太阳本身，吸收的能量为3.8×1026瓦。^[10]即使是小规模的戴森云，也可以迅速减少我们对不可再生燃料的使用，满足地球的电力消耗。^[1]

若能够建造出戴森结构，人类文明将从I型走向II型，这将使人类能够进行更深入的宇宙探测，从而更多地了解宇宙的奥秘，寻找可能的栖息地。^[1]

2014年，耶鲁大学的塔贝萨·博亚吉安（Tabetha Boyajian）从开普勒空间望远镜的观测数据中，发现了一颗亮度变化难以解释的古怪恒星，恒星编号为KIC8462852。这颗恒星现被命名为博亚吉安之星（Boyajian's star），俗称塔比之星（Tabby's star）。在这颗恒星的亮度变化曲线中，类似于凌星现象的凹槽随机出现，持续几个小时、几天甚至几个星期。亮度降低的幅度可达20%，且恒星可能过去一个世纪内缓慢变暗。^[21][22]

宾夕法尼亚州立大学天文学助理教授杰森·赖特（Jason Wright）认为外星文明也是可能的原因，即外星文明可能正在它的母星周围建造一个戴森球。如果能在特定频率下检测到来自该恒星的强烈信号，则可证明外星物种的存在。^[23]但进一步的观测使科学家倾向于另一种解释：围绕恒星运行的尘埃云导致了恒星异常的亮度变化。^[3]

科幻小说作家经常将戴森球体设想为完全包围恒星的刚性结构，这并不是戴森提出的最初想法，实际上被认为是最不可能的解决方案。但环状结构和卫星群也出现在虚构的宇宙中。^[3]