向太陽要能量：戴森球真的可以實現嗎？
01什麼是戴森球？
“戴森球”是由美國物理學家、數學家弗里曼·戴森於1959年提出的一個科學假想。
弗里曼·戴森
戴森設想，如果一個文明想要在宇宙中長期生存，就必須建造一種由無數人造衛星構成的，巨大的人造球形天體，用這個天體把太陽包裹住，讓太陽成爲一個天然的核聚變反應堆，從而讓人類能夠掌控並使用太陽的所有能量。
戴森球概念圖
戴森球這個概念一出來，立刻引起了科學家和科幻羣體的熱議，長達數十年不衰，於是有了我們今天從科幻作品中所見，各種充滿了賽博朋克風格的巨大金屬球體。
同時，戴森球也成爲了宇宙二型文明的標識。
02卡爾達舍夫文明等級
在很多描寫宇宙的科幻作品中，我們經常可以見到的關於一二三型宇宙文明、也就是卡爾達舍夫文明等級的描述。
尼古拉·卡爾達舍夫
1964年，前蘇聯天體物理學家尼古拉·卡爾達舍夫提出了這樣一個理論：
人類文明的技術等級與其可利用的能源總量成正相關。因此，根據某文明所能夠掌控的能源總量，可以將宇宙中可能存在的文明分爲三種類型：
Ⅰ型文明——行星文明，這個等級的文明，能夠掌控本星球及周圍衛星能源的總和。
Ⅱ型文明——恆星系統文明，文明發展到這個等級，就具有了收集並充分利用整個恆星系能源的能力。比如說，太陽系就是一個恆星系。從這裡我們可以看出，能夠建造並使用戴森球的文明，應該屬於Ⅱ型及Ⅱ型以上的文明。
Ⅲ型文明——星系文明，這個等級的文明，已經成爲了其所處星系例如銀河系的主宰，可以利用整個星系所有恆星的能源。
卡爾達舍夫的三型宇宙文明
雖然卡爾達舍夫等級是一個充滿了科幻色彩的文明分類標準，但並不是無稽之談，而是有數學基礎來支撐的。
我們假設一個文明的全部能源消耗爲P，那麼這個文明所對應的等級，可以通過下面這個公式計算得出：
那今天的人類社會，屬於幾型文明呢？
根據國際能源署的數據，我們可以算出，目前地球文明約等於0.73級。
有人說，現代人類文明都這麼發達了，居然才0.73級，我們得再過多少年才能到達Ⅰ型、Ⅱ型乃至Ⅲ型文明呢？
按照戴森的推論，人類將在未來的200年內步入Ⅰ型文明。而卡爾達舍夫則認爲，人類要達到Ⅱ型文明等級，需要大約3200年左右。
儘管這些猜想在很多人眼裡是那麼的荒誕不經，但宇宙學家們卻真的付諸於行動，他們不斷在宇宙中搜索類似於戴森球的天體，以尋找存在於外星系的Ⅱ型及Ⅲ型文明。
03戴森球能否實現
有人甚至開啓了具體的研究工作，希望把戴森球這個夢幻般的設想，轉化爲現實。
當然，除了認可和支持，也有很多人對戴森球能否被實現表達了質疑甚至是否定。
首先是材料問題，無論是遊弋於太陽系中的彗星、小行星，甚至是巨大的日珥，都可能讓戴森球的外殼被擊碎乃至崩塌。能滿足戴森球外殼的材料需足夠穩定堅固，這遠超當今科技水平發展；即便真有一天人類突破了戴森球外殼材料的製造技術，在數量上也難以滿足實際的需求，因爲就算把地球掏空，也遠遠不足以建造一個能包裹太陽的巨大外殼。
其次是資源投入的問題，從戴森球材料的生產、運送、組裝，到後面的運營以及維護，都需要耗費巨大的人力和物力資源。試問，地球上能有這麼多的人力物力脫離生產去參與到戴森球的建設中嗎？
然後是最重要的能量消耗問題，無論是將戴森球材料發射到太空中的能量，還是維持其在固定軌道圍繞太陽轉動的能量，都巨大到難以想象，人類真的有必要消耗如此多的能量去建造這樣一個龐然大物嗎？
所以，戴森球質疑者的結論是，建造戴森球完全是多此一舉：能建造戴森球的文明不需要它，需要戴森球的文明建造不了它。
真的是這樣嗎？
應該說，從目前的現實來看，這樣的質疑是有一定道理的。
但作爲一個着眼於未來的長遠規劃，戴森球的想法並不是無稽之談。
首先，和很多人想當然的印象不同，戴森球並不是一個密不透風、直徑達到2億公里的巨大核反應堆，在戴森本人的設想當中，戴森球實際上是由無數個類似於衛星或空間站的太空建築所組成的網狀結構物，我們可以稱之爲戴森網或戴森雲。
在一個圍繞太陽的軌道中，我們按照一定的間隔距離發射若干顆人造衛星，直到形成一個圍繞太陽的戴森環，之後不斷重複操作，讓一圈圈的戴森環構成一個戴森網。
由一圈圈戴森環構成的戴森網
雖然仍然需要耗費巨大的人力、物力以及能源，但和建造想象中那種巨大的核反應堆完全不可同日而語。
其次，建造戴森球所需要的物資和能量，並不需要完全取自於地球。科學家認爲，我們最初可以在水星上啓動戴森球的建設，由於水星的構成物質中，金屬約佔70%，而剩下的30%是由硅酸鹽構成。這些物質正是建造戴森球所需要的材料。作爲距離太陽最近的行星，水星上擁有整個太陽系最豐富的太陽能資源，我們可以充分利用水星本身的資源和太陽能，建造第一個圍繞太陽的戴森環。
最後，戴森球是一個人類對太陽能不斷開發的結果，而不是一個目標。
隨着人類對能源需求的持續增加，以及能源開採技術的不斷提升，總有一天，我們對地球上所有能源的開發達到一個接近極限的狀態，也就是卡爾達舍夫的Ⅰ型文明等級。
04向太陽要能量
在地球能源耗盡之前，我們就必須制定對太陽系其他能源進行開採的計劃。
在太陽系中，能源最爲充沛，開採最爲便利的天體，除了太陽還有誰？
根據科學家的估算，太陽每秒鐘釋放出的能量大約是3.9x10 26焦耳，而地球接收到的太陽能，大約只有7.3x1017焦耳，不足太陽能總輻射的10億分之一。
我們不需要非常貪心地從一開始就計劃把所有太陽能據爲己有，而是在現有條件的基礎上，每次多要一些。
如前所述，我們可以先從水星，在距離太陽稍近的軌道上發射若干顆由巨大太陽能板或鏡面構成的人造天體，以此收集並儲存太陽能，然後利用這些太陽能以及水星上的資源，讓這個戴森環逐漸擴大、完整。
以此類推，我們可以在其他類地行星，比如火星和金星，甚至是利用小行星帶的物資，來建設其他更多的戴森環。
也許單單建造一個戴森環就需要數十億顆人造衛星，以及數百億噸的材料。但不積跬步，無以至千里。
羅馬不是一天建成的，戴森球也不是，人類文明更不是。
直到有一天，太陽系的空間中，出現了一個星羅棋佈般，由無數個戴森環構成的戴森球。這標誌着，我們的文明已經到達了一個另外的高度。
更何況，宇宙間可以採集能源的恆星並不只有太陽一顆，單銀河系就有超過1000億顆恆星，一旦人類掌握了戴森球技術，對於宇宙星辰的探索就不會僅僅止步於太陽系，甚至能遍佈到整個銀河系甚至更遠，那時候，人類文明將達到Ⅲ型甚至更高的文明等級。
當然，未來人類科技的進步，是我們現在所難以想象的。也許在建造戴森球的過程中，我們會發現其他效率更高的能源，也可能開發出其他更加先進的能源採集技術。
這一切，也許源自於我們今天一個大膽的想象。
作者 | 吳興川 審校 | 科普中國