導讀：最近幾十年來，戴森球這種科幻中的超級結構一直吸引著思想家。不久前，柏林工業大學天文學和天體物理學中心的天體生物學家迪克-舒爾茨-馬庫徹（Dirk Schulze-Makuch）撰文，告訴人們如何才能創造一個戴森球。以下是文章全文

理論物理學家的設想

1960 年，英國理論物理學家弗里曼·戴森（Freeman Dyson） 在《科學》雜誌上發表了一篇單頁論文，為人類科技的未來描述了一個也許是有史以來最有希望的場景。戴森設想，一個先進的文明可以透過在自己的星球周圍建造一個球體，吸收這個星球輸出的能量，來滿足其不斷增長的能源需求。

想像中的戴森球

不過，這篇論文比較偏理論，沒有講到實際的工程應用。關於這種巨型結構應該是什麼樣子，該如何建造，戴森並沒有提供更多的細節。他只是簡單地將這個球體描述為一個環繞著行星的「可以居住的外殼」。但這已經足夠吸引到眾多天文物理學家、科學家和科幻作家，並為他們提供靈感了。

在戴森的某些描述中，戴森球看起來像一個巨大的環，環繞著一顆恆星，幾乎能碰到地球。在另一些描述中，戴森球是一個完全包裹著太陽的巨型結構，並且可以捕捉到太陽發出每一點能量。除了在科學作品中，戴森球也出現在小說、電影和電視節目中，例如在《星際爭霸戰》中，戴森球就是先進文明的家。

戴森當然明白要建起一個這樣的龐然大物所面臨的挑戰，所以他本人對於建起戴森球的可能性也保持著懷疑態度。不過，他的戴森球設想激發了我們對人類文明的未來的雄心勃勃的設想，並且為解決人類的某些最災難性的困境提供了一種方案。利用太陽或其他恆星的總能量，可以滿足我們眼下的和長期的能源危機。但是當我們能夠獲得一個恆星輸出的全部能量時，就遠不止滿足我們的陸地能源需求這麼簡單了。

《星際爭霸戰：下一代》的「遺物」一集最初於1992年10月12日播出。圖中為星艦企業號與戴森球並排。 

有了這麼多可以使用的能量，我們就可以向可能有生命存在的系外行星發射高能量雷射脈衝，從而大大增加我們與遙遠文明交流的機會。這些由戴森驅動的光束可以比目前任何已知的方式更遠地傳播到宇宙中，穿透更高密度的空間區域，例如會使我們發送的訊號衰減的塵埃雲。

或者，我們可以利用這種能量直接到達系外行星──在某些天文物理學家的設想中，我們可以透過量子重力實驗來操控時空連續體，來縮短行程。還有一個有趣的想法，是用純光子創造所謂的Kugelblitz 黑洞，在理論上，這些黑洞已經被證明可以為未來的星際飛船提供動力。透過扭曲時空，我們或許能夠以比光速更快的速度行進，或是創造蟲洞，為穿越銀河系提供捷徑。

更誘人的是，戴森球提供的近乎無限的能量可以解決某些我們在延長壽命上遇到的最關鍵的難題。支持利用低溫技術的人們意識到，這項技術的大規模和長時間使用會需要大量的能量，遠遠超過目前可用的量。 2018 年，研究人員Alexey Turchin 和Maxim Chernyakov 提出，人工智慧或許能夠透過死者的DNA 和其他訊息，在模擬世界中以數位的方式重新創造這個人。為了創造出屬於一個幾乎永生的種族的、樣本足夠豐富的模擬人，需要大量的能量，還需要清除許多道德和哲學方面的障礙。但研究人員提出，戴森技術可以提供所需的能量。

建造戴森球可行嗎？

在今天，戴森的野心勃勃的設想似乎比以往任何時候都顯得更加重要。根據美國能源資訊署的數據，如果科技繼續沿著目前的成長曲線發展，在未來30年內，全球的能源需求量可能會增加50%。風能、太陽能和其他再生能源將在短期內有所幫助，但長期的解決方案需要更大膽的工程。戴森球可能是個大膽的解決方案，但要實現它，我們顯然還要克服許多物理和機械問題，即使是比我們先進數千年的文明也未必能解決這些問題。

身為柏林工業大學天文學和天文物理學中心的教授，我花了幾十年的時間來探索先進的外星文明存在的可能性。我與人合著了五本關於外星生命的書，我對這門科學的興趣激發了我，讓我一直在研究戴森球是先進外星技術的可能性。大約十年前，我對各種可能出自外星文明之手的大型工程產生了興趣。

黑洞以藝術的方式渲染，扭曲空間和時間，創造了蟲洞。

2010 年，我研究了建造戴森球的可行性。當我與我在普爾曼華盛頓州立大學的前物理系學生布魯克斯·哈羅普（Brooks Harrop）合作時，我們發現了戴森球的常見概念存在許多問題，其中最重要的是球體的坍塌風險。圍繞恆星旋轉的的剛性同心球會在每個點上都受到引力。現如今已知的任何材料都無法對抗這種力量。工程師也許會打算用一個複雜的推進器系統來解決這個問題，這個系統可以透過一個反作用力，將外殼保持在適當的位置。但考慮到外殼的巨大質量——在大部分的設想中，該結構的半徑為9300 萬英里，即地球與太陽之間的距離——這樣的系統首先會消耗外殼收集的大部分能量，甚至是全部。

假設我們可以克服這些問題，並且在遙遠的未來建成了這個球體：它該如何在流星、小行星、輻射和太陽耀斑中倖存下來？如果一個物體的質量和哈雷彗星差不多，就會以超過100 萬顆沙皇氫彈（迄今為止人類引爆過的最強大的核裝置）的動能撞擊這個球體。

戴森預見了這些風險，並承認這個圍繞恆星的殼或環存在的可能性不大。但這位物理學家提出了一個解決方案：如果有一群在圍繞恆星的獨立軌道上運行的物體，就能既收集能量，又避免固體戴森球的大部分物理和機械問題。隨著時間的推移，這些衛星可以逐漸被建造，並逐漸被傳送到系統中，逐步增加群聚的能量產值。

大約有1000 萬顆衛星的戴森群可以滿足人類的能源需求。這需要許多衛星，但現代衛星星座正在為這樣一個工程壯舉創造先例。 SpaceX 每月可發射240 顆星鏈通訊衛星，截至2022 年2 月，它在太空中已經擁有2000 多顆衛星。完成後，該星群的數量可能會達到數萬——這個數目雖然遠遠比不上戴森群的數量，但已經足以激發我們的想像力。

更現實的方案：戴森群

為了克服戴森最初設想的方案中的困難，我和Harrop找到更容易實現的設計——戴森群來取代它。我們將這個方案命名為太陽能風力發電衛星（SWPS）。傳統的太陽能板收集可見光的能量，但我們的衛星收集的是構成太陽風一半的電子（另一半由質子和α 粒子組成）。快速太陽風的速度約為750km/s-1，這使得這些電子比撞擊太陽能板的可見光中的電子擁有更強的能量。我們的SWP 衛星的核心是一條指向太陽的長金屬線，充電後會產生磁場，然後將傳入的電子引導到球形金屬接收器。這些電子會產生電流，從而維持導線中的磁場，並在兩者之間形成一個能夠維持自身穩定的系統。

大部分電流仍將用於產生動力，將紅外線雷射發射到地球的接收站上。由於我們的大氣中存在透明的“紅外線窗口”，紅外線是最佳的選擇，因為它能夠讓大約8 到13 微米之間的波長不被吸收地通過。在雷射將電能發送到接收站後，剩餘的電子將落回環形帆上，照在那裡的陽光會激發它們，產生的能量足以使衛星一直保持在圍繞恆星運行的軌道上。

2009 年2 月24 日，英國出生的美國理論物理學家弗里曼·戴森（Freeman Dyson，1923 – 2020 年）坐在新澤西州普林斯頓高等研究院辦公室。

每顆SWP 衛星的質量約為3.7 公噸（約為GPS 衛星重量的三倍），每天的24 小時內能提供約2 兆瓦的持續功率輸出，差不多可以滿足1，000 個美國家用衛星的能源需求。一個SWP 衛星群可以滿足全人類的能源需求。

這些衛星可以用相對簡單、便宜的材料製造；建造每顆衛星的費用主要花在950 英尺的銅線上。由於這些衛星使用太陽風作為能源，這些衛星將吸收最少的熱量，並以接近100% 的效率運作。相較之下，傳統太陽能電池的生產成本很高，因為它們的半導體需要高純度的矽，而且它們的效率非常低，大概只有20%。

戴森群還面臨許多技術上的阻礙。雖然SWP 衛星幾乎不需要維護，但它們不是自清潔的。如果衛星的帆中捕獲到的不是太陽風中的電子，而是正離子，衛星的效率就會降低，隨著時間的推移，整個系統的性能都會降低。我們也沒有解決另一個難題：如何讓衛星在變化千萬的太陽風中保持穩定的位置，以及如何安排數百萬（也許最後是數十億）衛星圍繞恆星的軌道。儘管近年來小功率的能量傳送雷射系統取得了很大的進步，但讓系統能在太空中工作仍然是一個挑戰。即使是一攝氏度以內的微小溫度變化，都會導致雷射的波長和輸出效率有很大的變化。在太空中保持恆溫是一件很棘手的事情——因為我們很難在沒有空氣的情況下，將熱量從較熱的物體傳遞到較冷的物體。戴森群還有這麼多棘手的問題沒有解決，但也許已經被另一個文明已經解決了。

宇宙中有戴森球嗎？

在我與卡迪夫大學高級研究員威廉·貝恩斯合著的《宇宙動物園：多個世界上的複雜生命》一書中，我們認為一旦行星體上出現生命，它最終都會進化成智能——在行星的宜居時間夠長的前提下。這論點的基礎是，地球上生命演化過程中的所有重大轉變似乎都發生了多次，這些變化彼此獨立，或透過不同的生化途徑。這表明宇宙中數以萬億計的其他行星中的一些可能經歷了同樣的進化過程，而這些行星上的某些生命形式可能已經進化為智慧生命體。他們有足夠先進的科技水平建造戴森球嗎？弗里曼戴森這樣假設：如果他們建造出了戴森球，我們就可以檢測到它。

具有實心外殼的傳統戴森球會散發出中紅外線波長的剩餘能量，目前的人類儀器可以檢測到。至少有一個研究小組已經開始尋找這種訊號。賓州州立大學天文學與天體物理學教授傑森·賴特和加州州立理工大學物理與天文學系的馬特·波維奇，已經開始利用美國宇航局廣域紅外線勘測探測器（WISE） 的數據在太空中尋找戴森球發出的強烈的紅外線訊號。那次搜索並未找到戴森球，也許我們的望遠鏡在太空中沒有看到任何巨型結構的原因是，外星人得出了與我們在論文中所做的推斷相同的結論：建造一個巨大的、堅固的戴森球體是不切實際的，即使對於比我們更先進的文明來說。

儘管我們可能永遠不會看到我們的太陽被包裹在一個巨型結構中，或者從圍繞它運行的數百萬顆衛星中汲取能量，但受戴森球啟發的科學和科幻小說會繼續激勵我們，讓我們對這個星球上和星球外的生命產生最大膽的想像。這可能是戴森球最有價值的貢獻——為我們豎立起了一個雄心勃勃的目標，為我們鋪路，讓我們不斷嘗試革命性的發現。 （編譯：BladeRunner）