向太阳要能量：戴森球真的可以实现吗？
01什么是戴森球？
“戴森球”是由美国物理学家、数学家弗里曼·戴森于1959年提出的一个科学假想。
弗里曼·戴森
戴森设想，如果一个文明想要在宇宙中长期生存，就必须建造一种由无数人造卫星构成的，巨大的人造球形天体，用这个天体把太阳包裹住，让太阳成为一个天然的核聚变反应堆，从而让人类能够掌控并使用太阳的所有能量。
戴森球概念图
戴森球这个概念一出来，立刻引起了科学家和科幻群体的热议，长达数十年不衰，于是有了我们今天从科幻作品中所见，各种充满了赛博朋克风格的巨大金属球体。
同时，戴森球也成为了宇宙二型文明的标识。
02卡尔达舍夫文明等级
在很多描写宇宙的科幻作品中，我们经常可以见到的关于一二三型宇宙文明、也就是卡尔达舍夫文明等级的描述。
尼古拉·卡尔达舍夫
1964年，前苏联天体物理学家尼古拉·卡尔达舍夫提出了这样一个理论：
人类文明的技术等级与其可利用的能源总量成正相关。因此，根据某文明所能够掌控的能源总量，可以将宇宙中可能存在的文明分为三种类型：
Ⅰ型文明——行星文明，这个等级的文明，能够掌控本星球及周围卫星能源的总和。
Ⅱ型文明——恒星系统文明，文明发展到这个等级，就具有了收集并充分利用整个恒星系能源的能力。比如说，太阳系就是一个恒星系。从这里我们可以看出，能够建造并使用戴森球的文明，应该属于Ⅱ型及Ⅱ型以上的文明。
Ⅲ型文明——星系文明，这个等级的文明，已经成为了其所处星系例如银河系的主宰，可以利用整个星系所有恒星的能源。
卡尔达舍夫的三型宇宙文明
虽然卡尔达舍夫等级是一个充满了科幻色彩的文明分类标准，但并不是无稽之谈，而是有数学基础来支撑的。
我们假设一个文明的全部能源消耗为P，那么这个文明所对应的等级，可以通过下面这个公式计算得出：
那今天的人类社会，属于几型文明呢？
根据国际能源署的数据，我们可以算出，目前地球文明约等于0.73级。
有人说，现代人类文明都这么发达了，居然才0.73级，我们得再过多少年才能到达Ⅰ型、Ⅱ型乃至Ⅲ型文明呢？
按照戴森的推论，人类将在未来的200年内步入Ⅰ型文明。而卡尔达舍夫则认为，人类要达到Ⅱ型文明等级，需要大约3200年左右。
尽管这些猜想在很多人眼里是那么的荒诞不经，但宇宙学家们却真的付诸于行动，他们不断在宇宙中搜索类似于戴森球的天体，以寻找存在于外星系的Ⅱ型及Ⅲ型文明。
03戴森球能否实现
有人甚至开启了具体的研究工作，希望把戴森球这个梦幻般的设想，转化为现实。
当然，除了认可和支持，也有很多人对戴森球能否被实现表达了质疑甚至是否定。
首先是材料问题，无论是游弋于太阳系中的彗星、小行星，甚至是巨大的日珥，都可能让戴森球的外壳被击碎乃至崩塌。能满足戴森球外壳的材料需足够稳定坚固，这远超当今科技水平发展；即便真有一天人类突破了戴森球外壳材料的制造技术，在数量上也难以满足实际的需求，因为就算把地球掏空，也远远不足以建造一个能包裹太阳的巨大外壳。
其次是资源投入的问题，从戴森球材料的生产、运送、组装，到后面的运营以及维护，都需要耗费巨大的人力和物力资源。试问，地球上能有这么多的人力物力脱离生产去参与到戴森球的建设中吗？
然后是最重要的能量消耗问题，无论是将戴森球材料发射到太空中的能量，还是维持其在固定轨道围绕太阳转动的能量，都巨大到难以想象，人类真的有必要消耗如此多的能量去建造这样一个庞然大物吗？
所以，戴森球质疑者的结论是，建造戴森球完全是多此一举：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。
真的是这样吗？
应该说，从目前的现实来看，这样的质疑是有一定道理的。
但作为一个着眼于未来的长远规划，戴森球的想法并不是无稽之谈。
首先，和很多人想当然的印象不同，戴森球并不是一个密不透风、直径达到2亿公里的巨大核反应堆，在戴森本人的设想当中，戴森球实际上是由无数个类似于卫星或空间站的太空建筑所组成的网状结构物，我们可以称之为戴森网或戴森云。
在一个围绕太阳的轨道中，我们按照一定的间隔距离发射若干颗人造卫星，直到形成一个围绕太阳的戴森环，之后不断重复操作，让一圈圈的戴森环构成一个戴森网。
由一圈圈戴森环构成的戴森网
虽然仍然需要耗费巨大的人力、物力以及能源，但和建造想象中那种巨大的核反应堆完全不可同日而语。
其次，建造戴森球所需要的物资和能量，并不需要完全取自于地球。科学家认为，我们最初可以在水星上启动戴森球的建设，由于水星的构成物质中，金属约占70%，而剩下的30%是由硅酸盐构成。这些物质正是建造戴森球所需要的材料。作为距离太阳最近的行星，水星上拥有整个太阳系最丰富的太阳能资源，我们可以充分利用水星本身的资源和太阳能，建造第一个围绕太阳的戴森环。
最后，戴森球是一个人类对太阳能不断开发的结果，而不是一个目标。
随着人类对能源需求的持续增加，以及能源开采技术的不断提升，总有一天，我们对地球上所有能源的开发达到一个接近极限的状态，也就是卡尔达舍夫的Ⅰ型文明等级。
04向太阳要能量
在地球能源耗尽之前，我们就必须制定对太阳系其他能源进行开采的计划。
在太阳系中，能源最为充沛，开采最为便利的天体，除了太阳还有谁？
根据科学家的估算，太阳每秒钟释放出的能量大约是3.9x10 26焦耳，而地球接收到的太阳能，大约只有7.3x1017焦耳，不足太阳能总辐射的10亿分之一。
我们不需要非常贪心地从一开始就计划把所有太阳能据为己有，而是在现有条件的基础上，每次多要一些。
如前所述，我们可以先从水星，在距离太阳稍近的轨道上发射若干颗由巨大太阳能板或镜面构成的人造天体，以此收集并储存太阳能，然后利用这些太阳能以及水星上的资源，让这个戴森环逐渐扩大、完整。
以此类推，我们可以在其他类地行星，比如火星和金星，甚至是利用小行星带的物资，来建设其他更多的戴森环。
也许单单建造一个戴森环就需要数十亿颗人造卫星，以及数百亿吨的材料。但不积跬步，无以至千里。
罗马不是一天建成的，戴森球也不是，人类文明更不是。
直到有一天，太阳系的空间中，出现了一个星罗棋布般，由无数个戴森环构成的戴森球。这标志着，我们的文明已经到达了一个另外的高度。
更何况，宇宙间可以采集能源的恒星并不只有太阳一颗，单银河系就有超过1000亿颗恒星，一旦人类掌握了戴森球技术，对于宇宙星辰的探索就不会仅仅止步于太阳系，甚至能遍布到整个银河系甚至更远，那时候，人类文明将达到Ⅲ型甚至更高的文明等级。
当然，未来人类科技的进步，是我们现在所难以想象的。也许在建造戴森球的过程中，我们会发现其他效率更高的能源，也可能开发出其他更加先进的能源采集技术。
这一切，也许源自于我们今天一个大胆的想象。
作者 | 吴兴川 审校 | 科普中国