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戴森球”，是弗里曼·戴森在1960年就提出的一种理论。所谓“戴森球”其实就是直径2亿km不等，用来包裹恒星开采恒星能源的人造天体。这是一个利用恒星做动力源的天然的核聚变反应堆。

戴森球[2]是一种设想中的巨型人造结构，由弗里曼·戴森先生提出。这样一个“球体”是由环绕太阳的卫星所构成，完全包围恒星并且获得其绝大多数或全部的能量输出。戴森认为这样的结构是在宇宙中长期存在并且能源需求不断上升的文明的逻辑必然，并且他建议搜寻这样的人造天体结构以便找到外星超级文明。[2]

从那时起，各种各样的设计，包括建造人工天体或一系列这样的结构以便包围太阳，便不断地由一些狂想的工程学家或科幻小说所提出，并冠以“戴森球”之名。这些后续的设想没有仅仅在从太阳能收集站上止步——许多工程设计还包括建设人类殖民地和工

概念起源

戴森球概念源自于美国物理学家兼数学家弗里曼·戴森的思维试验，他认为：每个人类技术文明对能源的需求是恒定地增长着，如果人类文明能够延续足够长的时间，那必然有一天他的能源需求会膨胀到要利用太阳的全部能源输出。他认为此时就有必要建立环绕太阳的壳状轨道结构以便用来收集由太阳输出的全部能源。戴森没有从细节上叙述如何建立这样一个结构，而只是集中描述能源收集的问题。戴森据悉是第一个正式从学术上提出戴森球概念的学者，他的论文见于1959年《科学》杂志上的《人工恒星红外辐射源的搜寻》。但是戴森球的概念是由1937年的科幻小说《造星者》所影响，并且有可能受到了曾经研究过相关方面的J.D.Bernal和Raymond Z.Gallun著作的影响。[1]

直观戴森球

详述

总述

杰出的美国物理学家，曾经担任爱因斯坦的副手的戴森（FreemanDyson），当时在普林斯顿高等研究院工作。他提出了一个方案，根据这种方案，一种先进技术几乎可以产生无限的燃料供应。他设想一个足够发达的文明通过建造一个由接受器和能量转换器构成的球，就可以利用他们自己那颗恒星的全部能量输出。

戴森球

这些球被称作“戴森球”，它们当然可以提供巨大的能量，但也会辐射与之相当的热量。这种热量可以在许多光年以外在光谱的红外范围内探测到。还有一些人把这种想法发挥得更进一步，他们主张比我们的文明先进几百万年的文明可能利用整个星系的能量，甚至整个星系团的能量。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SETI的研究人员把潜在的文明分成三种类型。[1]

延伸

光谱（spectrum）光谱是复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。光谱中最大的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一部分，在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。光谱并没有包含人类大脑视觉所能区别的所有颜色，譬如褐色和粉红色。

Ⅰ型文明

已经发展到能够开发利用自己栖息的那个行星（可能会在非行星环境，但行星最可能）的所有自然资源的文明。（包括人类在内，但人类目前为0.73级，未达Ⅰ型文明）

Ⅱ型文明

这样的文明应该能够建造像戴森球一类的东西，并且能够接收并使用一颗恒星的全部能量输出。文明发展到这个水平几乎肯定可以有能力进行星际旅行。这样的文明也许已经研究出使物体运动速度超过光速的方法。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

领先我们成千上万年，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。

可行性

当有人认为这些设计-特别是那些以戴森壳为基础的蓝图是不切实际的时候，现代轨道环绕卫星或太阳帆技术已经得到发展并能进行一定的实际应用，并不需要任何主要的理论上的突破，而这种技术却是可以用来建造戴森球结构。当代太空飞船和卫星的应用可以看作为朝向建造戴森球的小小的第一步。然而，建设戴森球的极其巨大的人造卫星和太空飞船，而当前人类却远远没有制造如此数量的人造卫星和太空飞船的工业生产能力，这是戴森球最大的生产力的瓶颈！有可能在这样一个建设工程中会有很多目前无法预见的工艺问题，而当前人类对工业自动化的理解和应用是远远不够来建造与维护这样一个自维护系统。

各种变体

总述

在许多设计中，戴森球概念经常被理解为一个环绕太阳的人工物质球体。在回复有关他的论文的信中，戴森说，“一个包围太阳的坚固的壳或环从力学上是不可行的。我设想的一个生物圈的形式是由松散的太阳能收集器或独立环绕太阳轨道的卫星云（SWARM）组成。

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，类似于环绕地球的云，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。此内壁的面积等同于55亿倍地球的表面积（地球表面积：5.1亿平方公里），这将拦截全部太阳能量输出；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的几十亿倍。

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11.79×1024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），同样也是可以逐渐地建立起来。

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。

发现疑似结构

科学家在NASA的开普勒任务曾经观测过的十万多颗恒星中发现一颗名为KIC 8462852的恒星有着怪异的亮度变化：它的光变曲线上也有凹坑，但并非周期性出现。有些凹坑很深，有一个深达15%，还有一个甚至深达22%！

图 1

开普勒的数据显示，KIC 8462852的光变曲线出现过深达22%的凹坑。图1中的横坐标是某一日期之后的天数，纵坐标则是这颗恒星的亮度，取正常亮度为1。在第1500天左右，这颗恒星的亮度出现了22%的降幅。

单凭这一点，就知道这不可能是一颗行星。就算是木星那么大的行星，也只能遮挡这颗恒星大约1%的星光，这差不多已经是行星能够达到的最大尺寸了。也不可能另外一颗恒星，因为如果有的话，应该能看见它。这样的凹坑并非有规律的周期性出现，这一点也跟行星或恒星的说法不相符合。不管是什么遮挡了恒星，它都一定十分巨大，宽度可达这颗恒星本身的一半。

科学家们最初的想法是，会不会是某种行星碰撞事件，这会产生出大量碎屑和尘埃云。这些碎块和尘埃云绕着恒星旋转，造成一系列凌星，有可能再现出我们看到的这些现象。这个想法的问题在于，这颗恒星的红外线没有任何多余的部分出现。行星碰撞会产生大量尘埃，加热之后则会发出红外线。

另一个想法是有一系列彗星绕着这颗恒星旋转。这些彗星可能被气体和其他物质构成的云团包裹，可能产生观测到的凹坑。另外一颗恒星离KIC 8462852相当近：一颗较小的红矮星就在大约1300亿千米之外。这个距离足以影响其奥尔特云了，使得大量彗星被扰动进入KIC8462852附近，造成这种现象。彗星是个不错的猜测，但很难想象有某个场景，它们能够完全遮挡来自一颗恒星22%的星光（这是一个很大的数量）。

最后一个想法便是看到了一个正在建造戴森球的高等外星文明。巨大的太阳能板（或者太阳能板的集群）宽达上百万千米，有着古怪的形状，有可能产生我们在那颗恒星的光变曲线中看到的那些凹坑。