弗裡曼·戴森去世，他提出的“戴森球”究竟存在嗎？

出品：科普中國

製作：張同傑（北京師范大學天文系宇宙之美科普團隊）

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

美國普林斯頓高等研究院的物理學家弗裡曼·戴森(Dyson, Freeman J.)於2020年2月28日因突發疾病去世，享年96歲，引起國內外媒體關注。

作為一名物理學家，他說自己只想尋找能解決的有趣謎題

戴森老先生的研究領域廣泛，從基本粒子物理學、量子電動力學理論、核物理到數學、生命起源、星際旅行、全球氣候變化和科幻創作等。他曾經和上個世紀出現的許多著名物理學家一起工作過，也是楊振寧先生的同事和朋友。他在物理學領域的造詣深厚，於1953年獲得普林斯頓高等研究院永久職位，足以說明他的學術水準。他謙虛低調，曾經說過，他喜歡尋找謎題，找那些能解決的有趣問題，不在乎他們是否重要，而絕對不會沉迷於解決那些大謎題。

在戴森去世後第二天(2020年2月29日) ，著名數學家丘成桐就緬懷戴森評價說，戴森可以說是二十世紀最偉大的數學物理學家，他在數學上的重要影響有兩個方向，一個方向是通過 Exclusion Principle（不相容原理）來解釋物質穩定性的問題；另一方面他在原子譜上問題的猜測引發了一連串的 Random Matrix（隨機矩陣）理論上的重要發展。他在普林斯敦高等硏究所做教授時跟戴森認識，戴森見識超凡，但卻是平易近人。在戴森九十多歲的時候，依然對物理和數學還有欣賞能力。他很佩服戴森。

但他提出的這個問題，至今沒有答案

其實，他並不是沒有探索過大謎題，比如他提出的戴森球(Dyson Sphere)設想，至今令地外文明研究者著迷。

戴森球的概念可不是戴森的科幻小說或者文學作品，而是源自他建立的思想實驗，即1960年發表在《科學》雜誌上的論文"搜尋人工恆星紅外異塵餘生源（Search for Artificial Stellar Sources of Infra-Red Radiation）"。

戴森在文章認為，宇宙中任何技術文明對能量的需求都是穩定增長的，如果這些文明能夠生存延續足夠長的時間，總有一天對能量的需求會膨脹到要完全依賴其母恆星"全部"的能量輸出。此時如果這個文明達到了很高的技術水準，那就有必要建立能夠攔截和收集母恆星發出的所有能量的軌道結構，即戴森球(Dyson Sphere)（如上圖）。

戴森球的存在會吸收和再異塵餘生其所包圍的母恆星的異塵餘生能量。根據量子物理，戴森球再異塵餘生出的能量的波長取決於其溫度及其物質組成。戴森球最有可能由重元素製造而成，因此它可能會引起紅外波段的光譜異塵餘生量的增加。估算可知，如果其紅外異塵餘生能量增加非常顯著，就可以在星際距離上探測到。

上個世紀，天文學家就曾通過紅外天文衛星（Infrared Astronomical Satellite，IRAS）試圖分析恆星光譜數據尋找過這樣的戴森球結構。我們期待著新一代紅外天文望遠鏡能夠通過恆星的光譜數據繼續搜尋戴森球，已盡IRAS紅外天文衛星未能完成的任務。

圖片來源：IRAS

1964年，蘇聯天體物理學卡爾達肖夫（Kardashev，1932.04.25－2019.08.03)提出一種判定文明量級的標準，用宇宙中一個文明所能夠利用的能源量級來量度文明層次及技術先進程度。按照這一標準，文明可以被分成三個量級：I型（10^17 W）、II型（10^26 W）和III型（10^36 W）。I型文明使用在它所居住行星所有可用的能量，II型文明利用它所居住行星所圍繞的恆星所有的能量，III型文明則利用它所處星系的所有能量。

一般認為，我們地球上的人類文明現在接近但尚未達到I型文明。小說作者、世界一流的天文學家和科學活動家卡爾·薩根（Carl Sagan）認為我們的地球文明大約是0.7型。日裔美國籍理論物理學家、科普家，紐約市立大學的理論物理學教授加來道雄（Michio Kaku；1947.01.24－）認為我們地球人類可能在100-200年左右達到I型，在幾千年後達到II型，而約在10萬-100萬年後達到III型文明。根據這個標準，外星文明要建造戴森球這樣系統意味著至少已經到達II型文明。

2017年，一顆名為KIC 8462852的恆星曾經得到很多人的關注，主要是因為天文學家Boyajian等人在2016年發表文章稱，發現了一顆具有異常行星凌星現象的恆星KIC 8462852。因為這種異常的行星凌星現象，有人認為，可能是外星人包圍這顆星建造了戴森球(Dyson Sphere)（詳見科普文章：外星人包圍KIC 8462852星建造了戴森球了嗎? http://www.kepu.net.cn/ydrhcz/ydrhcz_zpzs/ydrh_2017/201706/t20170601_470427.html）。其實，根據科學地估算，外星人在KIC 8462852星周圍建造了戴森球的可能性極小。

卡爾·薩根有一句名言，也是科幻電影《Contact-超時空接觸》的結束語: "if humans were the only life in the universe it would 'be a terrible waste of space'."如果宇宙中存在的生物只有人類，那將是對空間的極大浪費。"

其實，對地外文明是否存在的疑問存在於我們每個人的心中，對可能存在的地外生命的尋找更是從未停止，我們期待答案揭曉的那天早日到來。

參考文獻：

[1]張同傑外星人包圍KIC 8462852星建造了戴森球(Dyson Sphere)了嗎?

[2]Boyajian, T. S., LaCourse, D. M., Rappaport, S. A., et al. 2016, MNRAS, 457, 3988

[3]Dyson, Freeman J., Search for Artificial Stellar Sources of Infrared Radiation, Science, Volume 131, Issue 3414, pp. 1667-1668(1960)

[4]Kardashev, Nikolai. "On the Inevitability and the Possible Structures of Supercivilizations", The search for extraterrestrial life: Recent developments; Proceedings of the Symposium, Boston, MA, June 18–21, 1984 (A86-38126 17-88). Dordrecht, D. Reidel Publishing Co., 1985, p. 497–504.

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