戴森球设想提出至今已过60多年，它的实施――如果有可能的话――必定在极为遥远的将来----科学外史II（5）
我小外孙开始玩一款名叫《戴森球计划》的游戏，自感又有独得之秘，某日率尔问道：难道外公也知道戴森球？令他爹妈不禁莞尔。哈哈，老朽还真知道一些关于戴森球的事情，不过基本上和游戏无关。
文明发展对能源的需求
一个星球上出现智慧生物，发展出了文明，对能源的需求就会快速增长。目前地球人类就处在这样的状态中。我在“地球流浪之后：第三堂令人沮丧的算术课”一文中，曾用2019年的数据估算出当时地球的全年能耗总量，相当于太阳投射到地球的总能量的约万分之一。
在这个全球总能耗中，主要取自煤炭、石油、天然气，但这些传统能源归根结底也是太阳能的存储，另外还有核能和直接的太阳能等新能源，直接利用的太阳能目前仍只占全球总能耗中很小一部分。
但是，文明发展过程中对能源的需求是没有止境的，特别是进入工业化之后，这种需求会快速增长。例如，2018年全球总能耗（198亿吨标准煤）就比上一年增长了2.9%。这个年增长率看上去似乎不高，但假定以这个年增长率持续下去，只要320多年，全球总能耗就可以增长到目前的一万倍。
地球上的传统能源不久终将枯竭――各种估计大相径庭，比较乐观的一种是，以目前的全球总能耗计算（未考虑逐年增长），地球能源还能使用数百年。另一个重要的能源是核能，目前的裂变核能主要以核电的形式被利用，效率不高，核废料问题又很大，人类只有搞成聚变核能才可高枕无忧，然而那一天却又遥遥无期。利用聚变核能，理论上的蓝图早就有了，但技术手段上始终难以突破。
所以，人类在能源问题上最终的出路，最有希望的还是利用太阳能。戴森球，可以说就是对人类利用太阳能的终极展望。
戴森球的设想
根据人类目前对恒星和太阳的知识，太阳每分钟向地球轨道上1平方厘米的面积投射1.97卡的能量，比较专业的说法是“太阳常数=1.97卡（平方厘米/分钟）”，再考虑地球的实际尺度，就可以得出地球每年从太阳获得的总能量――这里我们只需知道这个总能量是目前地球全年总能耗的约一万倍即可。
这也就是说，如果地球耗光了传统能源，又不考虑核能（毕竟目前核能在全球总能耗中占比还很小），那么我们从太阳对地球的辐射中，最多能获得目前全球总能耗的约一万倍的能源。我们还知道，按人类目前对能源需求的增长速度，只需320多年，就会达到目前全球总能耗的一万倍这个极限。
即使我们能够将太阳辐射到地球上的能量全部吸收利用，几百年后能源需求增长到上述极限之后怎么办？戴森球就是要设法解决这个问题。
戴森（Freeman Dyson，1923～2020）是美籍英裔物理学家，早年在量子电动力学领域有过重要贡献，是可以列入物理学大师行列的人物，后来长期在普林斯顿高等研究院工作。在这个适合闲人胡思乱想研究无用之学的地方，戴森也旁骛了不少别的领域，比如星际航行之类。戴森球的设想，也可以视为这种旁骛的成果之一。
和巨大的太阳相比，地球好比遥远距离（1天文单位，即地球绕日公转轨道的半径，约1.5亿公里）处的一颗小豆子，这颗小豆子接受到的太阳辐射能量，虽然有目前全球总能耗的约一万倍，但对于全方位的太阳辐射能量来说，显然只是极小极小的一部分。
太阳的辐射总能量，绝大部分都在无垠的太空中白白浪费了，我们地球依靠太阳的自然照射，能够得到其中的多少份额呢？戴森已经估算过了，大约是十亿分之一。
换句话说，我们地球从太阳自然照射中得到的总能量，虽然是目前地球全球总能耗的约一万倍，但这只是太阳总辐射能量中的约十亿分之一。戴森球的想法，就是要让地球这颗小豆子，从太阳辐射能量的这十亿分之一外，尽可能再多拿到一些。
1960年戴森在Science杂志上发表了一篇短文，提出了戴森球的想法：一个足够先进的行星文明，应该有能力建造一个球形结构，将自己和自己的恒星（太阳）包裹在里面，这样太阳的很大部分辐射能量就可以被采集起来，供该文明使用。此后人们就将这种想象中的球形结构称为戴森球。
遥远的前景
其实戴森球的想法并非没有先驱，至少戴森自己就承认有一个，即英国科幻作家斯特普尔顿（W. O. Stapledon）的小说《造星主》（Star Maker，1937），这部小说最近刚刚出版了中译本。戴森表示，《造星主》启发了他，而他则将小说中的想法扩大并从科学上具体化了。不过戴森是认真的，他不是在创作科幻小说，而是在进行科学构想。
按照戴森原初的设想，戴森球并非整体刚性的球体（如此巨大的刚性结构在物理上是不可能的），而是几十组巨大的圆环，圆环本身以无数个小岛的形态分布在太空之中，围着太阳旋转（有点像我们太阳系中的小行星带）。所以这种设想也可以称为戴森环。
戴森也没指望将太阳的辐射能量全部吃干榨净，但哪怕这些戴森环只能获得太阳辐射能量的十分之一，也将使地球获得的太阳辐射能量比目前增长一亿倍，够地球挥霍很久了。
当然困难是巨大的。首先，建造如此巨大的球形或环形结构――半径至少要略大于1.5亿公里，才可以将地球包容在内――用什么材料？从哪里获得这些材料？就是将整个地球都用上，只怕都远远不够。戴森将目光投向了我们太阳系中最大的行星木星。木星质量是太阳系其余行星质量之和的两倍。拆了木星，大约够建造戴森球用的了。
然而，木星怎么拆？戴森也有设想。作为一个物理学家，戴森认为可以设法加速木星的自转，加速到一定程度，自转所产生的离心力会破坏平衡，导致木星解体，我们就可以利用木星的碎块来造戴森球了。为了加速木星自转，需要用巨大的金属网将木星包裹起来，然后向金属网输入电流，使之产生和木星自转方向一致的电磁力，逐渐加速木星自转。在戴森的设想中，这个加速过程大约需要10万年，需要耗费的电力大约相当于太阳系所有行星自然接受的太阳辐射能量的100倍……
在这样宏伟而夸诞的史诗般狂想中，许多细节当然还来不及规划。例如，考虑到木星是太阳系中最大的行星，质量达到太阳的约千分之一，其他行星的轨道都受到来自木星的摄动，太阳系整体作为一个力学结构，基本上是稳定的，而一旦木星解体，必然会对这一力学结构产生不容忽视的扰动。这种扰动的后果是难以预料的，太阳系能够平稳过渡到没有木星的新稳定状态，还是在此过程中发生一场浩劫？又如，木星是气体星球，解体后如何解决气体的逃逸问题？再如，包裹木星的金属网如何建造？产生电磁力所需的巨大电流如何产生并输往木星金属网？
戴森球设想提出至今已过60多年，它的实施――如果有可能的话――必定在极为遥远的将来。但戴森的设想启发了科幻和游戏作品的灵感，在那些作品中，戴森球经常被想象为刚性的球状实体。
（作者系上海交通大学讲席教授，科学史与科学文化研究院首任院长）
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