戴森球(戴森球理論)
xj
2023-04-10
分類: 理工學(xué)科
問(wèn)題描述:
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解析:
戴森球 :
弗里曼·戴森早在1960年就提出一種理論,即所謂“戴森球”。他認(rèn)為,地球這樣的行星,本身蘊(yùn)藏的能源是非常有限的,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以支撐其上的文明發(fā)展到高級(jí)階段;而一個(gè)恒星-行星系統(tǒng)中,絕大部分能源——來(lái)自恒星的輻射——都被浪費(fèi)掉了,目前我們太陽(yáng)系各行星只接收了太陽(yáng)輻射能量的大約1/109。戴森認(rèn)為,一個(gè)高度發(fā)達(dá)的文明,必然有能力將太陽(yáng)用一個(gè)巨大的球狀結(jié)構(gòu)包圍起來(lái),使得太陽(yáng)的大部分輻射能量被截獲,只有這樣才可以長(zhǎng)期支持這個(gè)文明,使其發(fā)展到足夠的高度。
戴森(Freeman Dyson, 1924-)出生于英國(guó),1947年至美國(guó)康乃爾大學(xué)研究,1951年正式定居美國(guó),1953年成為普林斯頓高等研究物理學(xué)教授至今。戴森教授不僅是位優(yōu)秀的理論物理學(xué)者,更是一位關(guān)心人類命運(yùn)、向往無(wú)限宇宙的睿智哲人。他一生優(yōu)游數(shù)學(xué)、粒子物理、固態(tài)物理、核子工程、生命科學(xué)、天文學(xué)領(lǐng)域,志在探索未知的世界。戴森教授早年為量子電動(dòng)力學(xué)的巨擘,與諾貝爾物理獎(jiǎng)擦肩而過(guò)。1956年發(fā)表的《自旋波》論文受到無(wú)數(shù)引用,堪稱物理學(xué)史上的重量級(jí)論文之一。戴森稱,“自旋波”或許是他一生最重要的貢獻(xiàn)。戴森教授于普林斯頓高等研究院服務(wù)四十年。戴森獲得許多殊榮:倫敦皇家學(xué)會(huì)休斯獎(jiǎng)(Hughes Medal)、德國(guó)物理學(xué)會(huì)蒲朗克獎(jiǎng)(Max Planck Medal)、歐本海默紀(jì)念獎(jiǎng)、以色列海法理工學(xué)院的哈維獎(jiǎng)(Harvey Prize)等。他著有《全方位的無(wú)限》、《武器與希望》、《宇宙波瀾》、《想象的未來(lái)》、《太陽(yáng)、基因組與互聯(lián)網(wǎng):科學(xué)革命的工具》、《想象中的世界》等書(shū),在科學(xué)界和大眾中都激起極大的回響。
弗里曼·戴森小時(shí)候并不是只對(duì)數(shù)理化感興趣,而是非常喜好閱讀文學(xué)作品。沒(méi)有早年打下的文科基礎(chǔ),他的《宇宙波瀾》在茫茫書(shū)海中必定是波瀾不驚,而不會(huì)成為暢銷書(shū),他的《全方位的無(wú)限》的銷路也必定相當(dāng)有限。弗里曼.戴森的書(shū)幾乎每一本都好看,且不說(shuō)他思考的深度,單是他的典雅文字就充滿了魅力。他的《宇宙波瀾》、《全方位的無(wú)限》、《太陽(yáng)、基因組與互聯(lián)網(wǎng)》、《想象中的世界》已有中文譯本。此外,他還寫(xiě)了《從愛(ài)羅斯到蓋婭》、《生命起源》、《武器與希望》,等等。 他和許多博學(xué)的作家一樣,在書(shū)的每章最前面均引用一段與本章主題有關(guān)的名人名言。如果沒(méi)有“讀書(shū)破萬(wàn)卷”的功力,就做不到“引用如有神”。
主要作品介紹:
《宇宙波瀾》——科技與人類前途的自省
量子電動(dòng)力學(xué)的第一代巨擘戴森,不僅是一位優(yōu)秀的大科學(xué)家,更是位關(guān)心人類命運(yùn)、向往無(wú)限宇宙的睿智哲人。本書(shū)是他從事科學(xué)工作五十年以來(lái)的回憶,他把科學(xué)生活比作個(gè)人靈魂的航程,浪漫而生動(dòng)地記述了許多著名科學(xué)家如歐本海默、費(fèi)曼、泰勒等人的風(fēng)范與成就,原子爐、生命科技以及太空探索的研究歷程與爭(zhēng)議,同時(shí)對(duì)科技發(fā)展與人類前途有深刻的省思。
《全方位的無(wú)限:生命為何如此復(fù)雜》
戴森教授是科學(xué)界的通人,他以高超的智能和過(guò)人的勇氣,跨越科學(xué)的門檻,思索宇宙與人類心智的緊密關(guān)連。全書(shū)分成兩大部分,第一部“生命為什么如此復(fù)雜”,作者在書(shū)中探索生命的多樣和一致、復(fù)雜和單純,一步步帶領(lǐng)讀者開(kāi)啟生命起源的奧秘,進(jìn)而推想人類的終極未來(lái)。第二部“核子冬天到又見(jiàn)蝴蝶”,檢討在科技高度發(fā)展的現(xiàn)代,人類道德倫理的困境,從軍力平衡、核武發(fā)展、星球大戰(zhàn)計(jì)劃,談到國(guó)際政治更涉及二十一世紀(jì)的人類命運(yùn)。戴森教授以如同觀察蝴蝶自蛹之生、以致翩然起舞的精采歷程,將諸多觀點(diǎn)形諸筆墨,叫人大為嘆服。
《想象的未來(lái)》
一九七九年,戴森在《宇宙波瀾》中,透過(guò)個(gè)人傳記的手法,表達(dá)自己對(duì)人類處境的關(guān)懷;一九八八年,戴森在《全方位的無(wú)限》中,探討多樣的生命,并進(jìn)一步深思人類、科技與道德之間的互動(dòng)。在這本書(shū)中作者以他貫有的流暢思緒、優(yōu)美文筆,旁征博引并充滿想象力地預(yù)期人類的未來(lái)。本書(shū)透過(guò)文學(xué)以及科幻小說(shuō)的色彩,戴森點(diǎn)出明日科學(xué)的命運(yùn),預(yù)測(cè)未來(lái)科技的邪惡與美好,以十年、百年、千年、甚至是無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)光為尺子,衡量人類的演化歷程。同時(shí),他呼吁科技必須與道德齊頭并進(jìn)。戴森想象中的未來(lái),就像搭乘時(shí)光機(jī)器漫游無(wú)垠的宇宙,展現(xiàn)在人類面前的是絢麗多彩的世界。
本書(shū)講述的是一個(gè)個(gè)生動(dòng)的故事,無(wú)論是現(xiàn)實(shí)的還是想像的,無(wú)論是科學(xué)的還是藝術(shù)的,其用意并不在于科學(xué)技術(shù)本身。作者將人類發(fā)展物質(zhì)文明的行為放在一個(gè)廣闊的時(shí)空中去考察,認(rèn)為一切科學(xué)技術(shù)都有倫理特性。
戴森球是什么意思?人類有能力創(chuàng)造出戴森求嗎?戴森球,是弗里曼·戴森在1960年就提出的一種理論。所謂“戴森球”其實(shí)就是直徑2億km不等,用來(lái)包裹恒星開(kāi)采恒星能源的人造天體。這是一個(gè)利用恒星做動(dòng)力源的天然的核聚變反應(yīng)堆。人類短期內(nèi)肯定造不出戴森球。
[img]戴森球,一個(gè)「毀滅」太陽(yáng)系水星、金星和火星的計(jì)劃戴森球的概念想必大家很清楚,光名字聽(tīng)起來(lái)都很具有誘惑力!吸引了很多喜歡科幻人士的無(wú)限遐想。這個(gè)概念是想圍繞恒星建造一個(gè)巨型結(jié)構(gòu),以便收集恒星全部的輸出能量。將為更先進(jìn)的文明提供巨大的能量。
戴森球是以天體物理學(xué)家弗里曼·戴森(Freeman Dyson)的名字命名的。戴森提出,為了維持和發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施,這些未來(lái)的文明將需要比他們的星球所能提供的大得多的能源。這個(gè)概念很炫酷,很有未來(lái)感,所以多年來(lái)一直出現(xiàn)在科幻小說(shuō)中。那么,為什么弗里曼?戴森(Freeman Dyson)會(huì)哀嘆這個(gè)想法是以他的名字命名的呢?這樣不好嗎?
肯定不好,人家可是天體物理學(xué)家,又不是科幻作家,整出來(lái)一個(gè)科幻名詞!實(shí)屬無(wú)奈。
太陽(yáng)是離地球最近的恒星,直徑是地球的109倍,重量是地球的30多萬(wàn)倍。圍繞太陽(yáng)建造一個(gè)外殼將需要難以想象的資源、精力、時(shí)間和金錢。保守估計(jì)需要的資源比我們整個(gè)太陽(yáng)系的資源都要多,畢竟是要圍太陽(yáng),這不可不是包一個(gè)籃球那么簡(jiǎn)單,而這只是第一個(gè)問(wèn)題。
據(jù)我們所知或所能想象的任何材料,都無(wú)法建造起如此巨大的結(jié)構(gòu),并能承受其結(jié)構(gòu)自身帶來(lái)的壓力,而且太陽(yáng)巨大的引力也會(huì)使整個(gè)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,有與恒星相撞的危險(xiǎn)。
還有重力的問(wèn)題。如果地球建在球體之外,來(lái)自太陽(yáng)的引力將太弱,無(wú)法維持我們目前的軌道。如果地球在球體內(nèi),引力會(huì)太強(qiáng),會(huì)把地球拉向太陽(yáng)。
那么這個(gè)傳統(tǒng)的戴森球有多大規(guī)模呢?據(jù)估計(jì),光球體的框架就需要1.7 x 102?立方米的材料,或約2打行星資源(一打12瓶哈)。現(xiàn)在別說(shuō)讓我們?nèi)ラ_(kāi)采這么多資源,就是有人把著24個(gè)球送到我們家門口,我們都沒(méi)辦法處理。收集這么多材料估計(jì)得到天荒地老!
如果我們不制造戴森球體,而是在恒星周圍創(chuàng)建圓環(huán)或面板,這就解決了我們剛才提到的所有問(wèn)題。圍繞恒星放置成群的收集面板,這些面板有穩(wěn)定的軌道,并且會(huì)被太陽(yáng)輻射的壓力向外推。面板的直徑必須小于等于1千米,并且薄如錫紙。它們會(huì)將光線反射到太陽(yáng)能發(fā)電廠,使用這個(gè)過(guò)程,我們將有比現(xiàn)在多1萬(wàn)億倍的可用能量,
這個(gè)想法聽(tīng)起來(lái)仍然有些問(wèn)題,假設(shè)我們現(xiàn)在就開(kāi)始構(gòu)建收集面板,并在不久的將來(lái)建立起集群。這仍然是一個(gè)需要大量資源的龐大工程。如此多的資源怎么來(lái),我們不可能挖自己家吧!再說(shuō)挖地球也不夠。所以還是挖水星、金星、火星是首選,這樣才能構(gòu)建起類似戴森球的設(shè)想。我們肯定先從水星開(kāi)始,因?yàn)檫@顆行星離太陽(yáng)近,而且水星的鐵核約占其質(zhì)量的40%,地殼中的氧氣將為我們提供制造赤鐵礦所需的原材料,赤鐵礦是一種具有高度反射性的原始鏡子。水星的低重力也會(huì)使我們很容易將收集面板發(fā)射到太空中供我們使用。
一開(kāi)始建設(shè)的速度會(huì)很慢。在水星上有限的能源供應(yīng)和為數(shù)不多的制造工廠設(shè)備意味著,第一個(gè)收集器的建造大約需要10年的時(shí)間,在這之后,隨著太陽(yáng)能收集面板的增加,能源供應(yīng)的增加,水星開(kāi)采力度的增加,收集面板的制造速度將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。在大約70年后,我們將在戴森集群上有一個(gè)良好的開(kāi)端,水星開(kāi)采完了,就可以去金星了,但我們還必須弄清楚如何同步面板,使它們不會(huì)相互碰撞,這是個(gè)復(fù)雜而又龐大的工程,目前不敢想。
有一個(gè)科學(xué)領(lǐng)域致力于回答這些問(wèn)題并概念化太空建設(shè)。天文工程師也在認(rèn)真地看待像戴森群這樣的想法。有些公司已經(jīng)在為小行星采礦做準(zhǔn)備,而3D打印機(jī)也能夠生產(chǎn)大型反射鏡。但這真的是我們文明進(jìn)步的最佳途徑嗎?
像太陽(yáng)這種G級(jí)恒星只能利用自己氫燃料的10%。如果我們想要100%的效率,還有其他收集能量的方法。例如,黑洞能量可以從霍金輻射或入射物質(zhì)產(chǎn)生的熱量中獲得。我們也可以利用黑洞自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的角動(dòng)量,這話有點(diǎn)遠(yuǎn)了,只是說(shuō)宇宙的能源很多,未來(lái)說(shuō)不定確實(shí)能實(shí)現(xiàn)。
戴森集群的另一個(gè)想法是創(chuàng)建一個(gè)小部分集群,例如:大型光帆群!以更高效、更持久、更經(jīng)濟(jì)的方式獲取能量(畢竟,戴森集群只能在恒星活著的時(shí)候提供能量)。
甚至有猜測(cè)稱,2015年在環(huán)繞KIC 8462852恒星的軌道上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)戴森球體。開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡觀察到這顆恒星的光有奇怪的波動(dòng)。正常情況下,即使像木星這樣巨大的行星使一顆遙遠(yuǎn)的恒星變暗,光線也只會(huì)下降1%。然而,望遠(yuǎn)鏡觀察到這顆恒星光線變暗了20%,你認(rèn)為這可能是智慧生命在收集恒星能源嗎?
戴森球有多大?戴森球,是弗里曼·戴森在1960年就提出的一種理論。 所謂“戴森球”其實(shí)就是直徑2億km不等,用來(lái)包裹恒星開(kāi)采恒星能的人造天體。這是一個(gè)利用恒星做動(dòng)力源的天然的核融合反應(yīng)堆。 戴森球是一種設(shè)想中的巨型人造結(jié)構(gòu),由弗里曼·戴森先生提出。這樣一個(gè)“球體”是由環(huán)繞太陽(yáng)的衛(wèi)星所構(gòu)成,完全包圍恒星并且獲得其絕大多數(shù)或全部的能量輸出。戴森認(rèn)為這樣的結(jié)構(gòu)是在宇宙中長(zhǎng)期存在并且能源需求不斷上升的文明的邏輯必然,并且他建議搜尋這樣的人造天體結(jié)構(gòu)以便找到外星超級(jí)文明。從那時(shí)起,各種各樣的設(shè)計(jì),包括建造人工天體或一系列這樣的結(jié)構(gòu)以便包圍太陽(yáng),便不斷地由一些狂想的工程學(xué)家或科幻小說(shuō)所提出,并冠以“戴森球”之名。這些后續(xù)的設(shè)想沒(méi)有僅僅在從太陽(yáng)能收集站上止步-許多工程設(shè)計(jì)還包括建設(shè)人類殖民地和工業(yè)基地 。
戴森的觀點(diǎn)在當(dāng)時(shí)聽(tīng)起來(lái)十分有趣,有人甚至認(rèn)為關(guān)于“戴森球”的想法純粹是異想天開(kāi)。但自從天文學(xué)家對(duì)類日恒星進(jìn)行研究之后,就發(fā)現(xiàn),它們的確發(fā)散出很多的紅外輻射。紅外線激光是銀河系中發(fā)送信號(hào)或是設(shè)立信號(hào)燈的首選途徑。研究者說(shuō),原因就在于這種光可以穿透阻礙可視光的星際塵埃。戴森球與另一文明進(jìn)化理論模型卡爾達(dá)肖夫指數(shù)很吻合。1964年,前蘇聯(lián)天文學(xué)家尼庫(kù)萊·卡爾達(dá)肖夫嘗試著描摹一項(xiàng)關(guān)乎技術(shù)演進(jìn)的理論:隨著時(shí)間的推移,一個(gè)文明需要支配越來(lái)越多的能源,而這些技術(shù)是如何演變,滿足這一文明的需求的呢?卡爾達(dá)肖夫等級(jí)論將文明劃分為三個(gè)類型:I型文明充分利用所在星球上所有可以利用的能源;II型文明可以支配其局域恒星的能源;III型文明則可以利用其所在星系的能源。因此,從本質(zhì)上講,搜尋戴森球就是探尋II型文明的存在。另外,由于建立在一個(gè)文明對(duì)能量應(yīng)用的基礎(chǔ)之上,戴森球設(shè)想相對(duì)于其他探尋地外生命的研究,如SETI,就又多了一個(gè)優(yōu)勢(shì):即使外星人沒(méi)興趣與地球人對(duì)話,我們依然可以找到這些外星文明。
這是因?yàn)槿绻魃虼嬖诘脑挘鸵欢〞?huì)放射出一種非常特別的熱信號(hào),并且我們可以通過(guò)紅外望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到這些信號(hào)。當(dāng)電腦用電的時(shí)候電腦本身就會(huì)發(fā)熱,同樣的道理,當(dāng)戴森球聚集太陽(yáng)能的時(shí)候本身也會(huì)升溫。這些熱量就會(huì)以紅外線而非可視光的形式輻射出來(lái)。萊特解釋說(shuō)“戴森球在中紅外光下看起來(lái)會(huì)特別亮。就像人體,在黑夜里,我們是看不見(jiàn)的,但是帶上中紅外線眼鏡后,我們就會(huì)看到人體發(fā)出很明亮的光。”建有戴森球的文明想要想不被發(fā)現(xiàn)需要不遺余力,要么以某種全新的方式除去余熱,要么需要建成一個(gè)能發(fā)出冷光的超大散熱器,而這些冷光需要足夠冷,在宇宙微波背景(宇宙大爆炸的余光)下不會(huì)被發(fā)現(xiàn)。萊特告訴我說(shuō),后一種解決方案將會(huì)涉及到建造一個(gè)球體,而這個(gè)球體將比需要的大出一百多倍。“只要一個(gè)文明想隱藏那么它就一定能夠隱藏,”他接著說(shuō),“但是要想隱藏,整個(gè)文明需要精心策劃并構(gòu)建出一個(gè)龐大的工程體系。”
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