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[UFO探索]戴森球,建造戴森球何时能够实现?

戴森球概述

戴森球是在1960年由弗里曼•戴森提出的一种理论,他认为,地球本身的能源非常有限,而恒星对地球的辐射大部分都被浪费了,戴森球基本模型就是直径2亿KM,用来包裹恒星并且开采恒星,充分利用恒星的能源来补给给地球。

戴森球

戴森球是一种设想中的巨型人造结构,完全包围恒星并获得其绝大多数的能量输出,目前我们太阳系各行星只接收了太阳辐射能量的大约 1/10^9。戴森认为,一个高度发达的文明,必然有能力将太阳用一个巨大的球状结构包围起来,使得太阳的大部分辐射能量被截获,只有这样才可以长期支持这个文明,使其发展到足够的高度。

弗里曼•戴森并没有从细节上叙述如何建立这样一个庞大的结构,只是集中在能源收集上做了描述,弗里曼•戴森是第一个正式从学术上提出戴森球概念的学者。

关于戴森球暂时还只是一个幻想的理论,人类还没有能力去构建这样一个庞大的结构。

戴森球详述

戴森曾经是爱因斯坦的副手,在当时,他射线一个足够发达的文明通过建造一个有接收器和能量转换期构成的球,就可以利用他们自己那颗恒星的全部能力输出。戴森球的提出让一些人相信外星球可能还存在我们文明先进很多的文明已经可以利用整个星系的能量,甚至是整个星系团的能量,我们在宇宙深处看见的许多类型的能源中有些是这类过程的废弃产品。这就使参与研究的人员把潜在的文明分成三种类型。

Ⅰ型文明:(包括我们在内)是已经发展到以下水平的那些文明:他们能够开发利用自己栖息的那个世界的自然资源。(人类目前为0.7级,未达Ⅰ型文明)

Ⅱ型文明:应该能够建造像戴森球那样的东西,并且能够处理他们那个恒星的全部能量输出。文明发展到这个水平几乎可以肯定有能力进行星际旅行。这样的文化也许已经研究出绕过光速藩篱的方法。一种发展到这个阶段的文化要比我们先进几千年甚至于几万年。

Ⅲ型文明:领先我们成百上千万年,并且已经掌握利用它们星系的全部资源的技术,这种能力对我们说来就像是属于上帝却又在物理定律允许的范围内。在宇宙的意义上,这不过是一种生命形式之开始进化相对来说比我们稍早一些而已。在我们看来,这样的生命似乎具有神一般的力量,其实,他们也是在某颗遥远的行星上,在单细胞有机体的泥浆里形成的。只不过他们发展的时间比我们更长而已。

这种分类最初在20世纪60年代提出。它们很快就被国际上接受成为标准。这个时期也是苏联寻找地外文明的研究工作最活跃的时期。

戴森球可行性分析

在20世纪60年代,戴森球被人们认为只是不切实际的理论结构,而在现在,环绕轨道卫星和太阳帆技术已经成为了实现戴森球的一小步了,但是要建造极其巨大的戴森球结构还是暂时无能为力的,其中的建造工艺以及数量庞大的人造卫星和太空飞船是戴森球最大生产力的瓶颈。

戴森球各种模型

戴森云

戴森云

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。

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2.72x10 平方公里,等同于55亿倍于地球的表面积,这将拦截全部4x10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3.3x10倍

不过戴森壳也有一些理论上的困难: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。

同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11.79×10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,如彗星和流星体来说是脆弱的。

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。

戴森泡

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3g/m²,四倍重于该设想所需要的材料。

然而,预计会出现通过分子机器人实现的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× 10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。

拆解水星建造戴森球

戴森球外壳

为了避免戴森球外壳体出现动力学应力作用,球体可能呈现离散式的分布并组成能量收集星座,附于了独立运行的轨道,就如同舞会上的玻璃球形镜面。对于高级外星文明而言,可通过太阳帆动力或者离子发动机进行戴森球星座的精确轨道定位。有研究人员提出可打造出一个条状分布的戴森球,即并非将恒星完全包裹住,而是类似年轮状的条形覆盖恒星的球状表面,这样的能量收集体可通过拆卸水星物质打造而成,但问题是摧毁一颗行星所需的能量极大,超过了美国每年能源消耗的一千亿倍,那这些能量从何处获得呢?

科学家认为可以分阶段建造简化版的戴森球,通过阶段性的建设边收集能量边拆卸水星。打造如此庞大的空间工程必须由大量的机器人军团执行,外星智慧文明将需要一些资源来建造更多的机器人以完成戴森球能量体的建造,庞大的轨道工程建设周期将花费数个世纪,随着时间的推移可收集到更多的能量。目前的天文数据库中已经存在了关于戴森球特征观测依据,比如这样的空间结构会在红外波段上吸收和重新散发出恒星能量,从地球上观测时就会发现戴森球外层壳体的温度将会降低数百华氏度。

但是拆解水星来建造这样的类似戴森球的能量收集体是否能够实现,拆解水星又是否会对整个太阳系产生影响呢?