从星辰迈向无垠,《戴森球计划》科幻概念指南

《戴森球计划》是一款具有比较强现实科学理论基础的硬科幻作品。其中出现了很多现实中也存在,或者经常被各类科幻作品引用的概念。

可能有不少玩家完全不知道游戏涉及的种种科幻或者科学名词是什么意思,这里列出一部分可供扩展阅读的资料。有兴趣的话,在看了这儿的资料以后,也可以自行查阅相关知识,丰富一下学识,至少可以充当谈资。

戴森球

如果不是科幻迷,对于“戴森球”这样的名字,恐怕首先可能会往某种球类运动去想象。甚至还会有人以为这跟某个品牌有关。而实际上,在科幻作品当中,“戴森球”这一概念已经流行了好几十年。

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KIC 8462852存在争议的光变曲线

近年来“戴森球”这一概念最接近大众视野的,应该是2015年9月发表在《皇家天文学会月报》上的一篇论文,文中提到在天鹅座,距离地球大约 1480 光年的恒星 KIC 8462852 存在难以解释的光度波动。于是,有人提出了假说,假设这颗恒星上可能有着一个高度发达的文明正在建造戴森球,巨大的戴森球结构挡住了恒星的光,进而导致光度发生周期性变化。

一时间,有关于外星人与戴森球等等的新闻铺天盖地,也让不少原本对此一无所知的大众好好了解了“戴森球”这个概念是怎么回事。

简单来说,戴森球就是尝试捕捉整颗恒星所有能量的巨型结构。

看看我们的地球吧,由于与太阳距离遥远,并且体积也很小,太阳往外辐射的能量,只有大约二十二亿分之一可以抵达地球。然而,就是这么一点点能量,驱动了整个地球的风霜雨雪,维持着全球生态圈运转,让我们被液态水海洋覆盖着,屏幕前的你能看到这篇文章,全都仰赖着太阳发来的这二十二亿分之一的能量。

那么,其他部分的能量怎么办?是不是就被一直浪费着呢?太阳无时无刻不在往外散发着光和热,它们的绝大部分都抛洒到了无垠宇宙之中。如果科技进一步发展,有可能利用上这些能量吗?

于是,关于戴森球的设想就这样出现了。美国物理学家、数学家弗里曼·戴森 1959 年在《科学》杂志上发表了一篇论文,首次提出了戴森球的概念。在他的想象中,这种巨型结构是由数量庞大的松散太阳能收集器和环绕太阳运行的卫星组成。许多环绕在不同轨道上的太阳能收集器将太阳四散的能量收集起来,从而逐步实现对太阳能量的完全利用。

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想象中的戴森云

更进一步的构想则更多地出现在科幻作品当中,如果我们建造一个刚性的壳体,真正完整包裹住太阳,这样,人们还可以在壳体内侧建造建筑并生活在里面。这将是一个无比庞大的世界。当这一壳体的半径是一个天文单位——也就是日地平均距离。壳体内侧表面接收到的热量与目前地球类似,这样,人们就获得了极其辽阔的可居住空间。

但这样的构想即使是作为科幻也太过离奇,并没有任何可以想象得到的材料能达到该壳体需要的结构强度,这一壳体与太阳之间的引力关系也会处于不稳定状态,从而并没有真正实现的可能性。

《戴森球计划》当中的戴森壳,更接近于介于二者之间的戴森泡结构。即建造可以用光压抵消引力影响的太阳帆,并固定太阳帆的位置,从而形成一定程度上永久存在的壳体。

不过游戏中的戴森壳依然需要旋转来对抗引力作用,而想要在 90° 位置建造戴森壳,需要多次反复研究科技才能实现。这个戴森球可以用于发电,也能将收集到的光子传输回来。不过,并不能让人居住在其中,也没有碰撞体积。

卡尔达肖夫文明指数

游戏设定中,派出玩家——或者说伊卡洛斯——前往新星区建造戴森球的主脑,是个即将踏入卡尔达肖夫三级文明的庞大帝国。这个卡……什么什么的指数是什么意思呢?

思考:忽略细节,仅仅从宏观角度来考虑,是什么东西,定义了一个文明的发达程度?是人文文化的灿烂?是商业贸易的繁荣?还是工业发展的恢宏?不不,这些都属于细节。如果是完全不同的文明,比如说一群具有更高智商的集体意识蚂蚁发展出了文明,它们就很难用这些特征来描绘。可是,我们总能找到一个可以描绘各种文明的东西,那就是能量。

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霍格天体,如果这是文明的造物……

俄国天体物理学家尼古拉·谢苗诺维奇·卡尔达肖夫提出了给宇宙各文明进行粗略等级划分的方法,即卡尔达肖夫文明指数。

其中,卡尔达肖夫一级文明能够完全利用一颗行星的所有能量出产,二级文明可以完全利用一颗恒星的所有能量出产,三级文明则可以将一整个星系的所有能量都化为己用。如果以稍微更准确一点的数字来表示,那么一级文明可以输出约为 10 的 16 次方瓦的能量功率,二级文明对应于 10 的 26 次方瓦,三级文明则是 10 的 36 次方瓦。

注意,即使是数量级的估计也存在一定偏差。这实际上是一个非常粗略的文明等级划分,按照这一定义,目前的人类文明大约处于 0.7 级。而一个在自己母恒星建造了戴森球的文明可以被称作二级文明,至于在《戴森球计划》中志于将整个星区全包起来的玩家,显然是大步踏在前往三级文明的路上了。

帕克号太阳探测器

实际上,单纯从戴森云的定义角度来说,现在人类已经在制造着“环绕太阳运行并获取其电力的装置”。先不说那些环绕行星运转但使用太阳能的卫星,目前人类也已经制造并发射了目标是探测太阳的探测器——“帕克号”。

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测试中的帕克号太阳探测器

当然,强行把帕克号想象成未来戴森云的其中一部分,确实过于牵强,不过,从这一探测器的设计当中,我们也可以一窥现实中建造戴森球可能面临的种种困难。

因为近日点将会进入太阳的外日冕层,帕克号需要面对大约 650kW/m? 的辐射强度。别以为这样的辐射强度意味着能更高效发电,实际上,帕克号必须设法抵御这样的高强度辐射,以避免内部设备过热而损坏。

在面对太阳的一侧,帕克号拥有一个由强化碳复合材料打造的,镀有纯白色氧化铝表面的盾牌抵挡来自太阳的光芒。太阳能电池板在近日点附近工作时,需要配备以大量液体主动冷却,并且非常小心地控制太阳能电池板能被太阳光直接照射的面积,以避免散热系统过载。

尽管宇宙空间的温度极低,但对于航天器而言,困难的事情反倒是解决散热问题。太阳光固然能带来能量,但如果散热无法解决,航天器也将很快变成一团废铁。太空是真空环境,我们在地球上常见的传导与对流散热无法实现,航天器的热量只能通过热辐射形式散发出去。所以要靠近太阳火中取栗的航天器,大量结构用在对抗热的设计,也就不足为奇了。

《戴森球计划》的太阳帆和戴森壳组件好像完全没考虑过这一问题,考虑到这只是个科幻游戏而不是科普软件,倒是很正常。

曲速引擎

相比于戴森球这样至少在理论推导时还稍微在意一点现实科学的概念,《戴森球计划》中用于穿梭不同恒星系的曲速飞行能力,则是一个更加狂想的科幻名词。

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游戏中的曲速引擎表现

具体而言,曲速引擎是一种假想的,用于突破相对论中关于有静止质量的物体无法在有限步骤内加速至光速这一推论的推进方式。在物理学家米给尔·阿库别瑞提出的阿库别瑞度规时空中,通过让空间扭曲的手段,令航天器后方的空间被拉伸,前方的空间被压缩,从而使得航天器超过光速航行。

在这种情况下,因为是空间本身被扭曲,航行中的航天器本身可以说是停滞在平直时空的气泡中被带着到了远处。但是,目前没有任何可行的理论和实践技术给出进行如此空间扭曲的手段,各种关于曲速引擎原理的探讨也都集中在科幻作品设定之内。

而在《戴森球计划》当中,曲速飞行似乎只是给伊卡洛斯固定增加 12.5AU/s 的速度,然后添加一些画面效果,并没有深入展开设定。


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曲速气泡的图示

<span]卡西米尔效应

玩家在制造「位面过滤器」时,需要用到一种叫做「卡西米尔晶体」的物品。我并没有找到能准确对应于这种晶体的科学概念。在现实中存在有一种叫做“卡西米尔效应”的概念,但它并不需要这样一种奇怪的晶体来制造。它只需要两块挨得特别近的金属板即可。

在量子场论中,即使是没有任何粒子存在的真空,其实也是充满了量子涨落的海洋。每一种基本场都在空间中被量子化,并且被描述为每一个点的量子谐振子。

而一般的真空,由于这些谐振子的成对存在,它们的自旋、极化和能量等等都互相抵消,从而从外界观测看来是为零的真空存在。但是,即使没有激发为基本粒子的量子谐振子,也有一个不为零的最低能量,被称为真空零点能。


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卡西米尔效应

而在两块非常靠近的金属板之间,这些量子谐振子可以取得的能量取值受到了限制,导致在平板之间真空零点能的取值降低。而如果要将金属板间距扩大,真空零点能取值扩大,则显然需要外界输入能量才能做到,也就表现为金属板之间出现了引力。这就是卡西米尔效应。

恒星大家族

在《戴森球计划》中,我们可以看到系统生成了许许多多不同种类的恒星,什么A型B型G型……各种恒星的颜色也不一样,光度也有区别。同时还会生成少量的中子星与黑洞等等。这一设定与现实世界已经相当接近了。

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恒星排排坐的赫罗图

一颗恒星的形成,来自于宇宙中分子云内部的重力不稳定,在分子云的热膨胀压力无法抵御自身引力影响时,分子云逐渐坍缩,在经过了上千万年的演化过后,分子云的绝大多数质量会坍缩到一片较小的空间内,从而形成了恒星。进入到恒星的主序星阶段。

根据质量的不同,恒星的光度和寿命也不一样。通常,越庞大的恒星会越快将内核的氢消耗殆尽,从而进入下一阶段。所以,虽然质量较小的恒星光度也较低,但它们往往有着更漫长的寿命。一些温度较低的红矮星有着远远长于目前宇宙寿命的预计寿命。

最大的主序星是 O 级恒星,接下来是 B 级、A 级、F 级、G 级、K 级以及 M 级。我们的太阳是一颗 G 级黄矮星。

由于最普遍存在的星际物质是氢,主序星基本上都是以氢聚变成氦作为其发光发热的能源。而随着这一聚变反应的持续进行,恒星内部会逐渐集聚越来越多的氦,导致氢聚变的效率下降。最终在越过某个临界点时,恒星核心不再发生聚变反应,导致原本由聚变反应抵抗的引力发挥作用,恒星外围物质开始坍塌。

但在这一过程中,这些外围物质的氢也参与进了聚变反应,于是氢聚变的速度反而大大增加,气体往外膨胀,成为红巨星。不过,对于质量小于 0.4 太阳质量的恒星而言,其耗尽氢的过程过于漫长,目前并未观察到任何走入消亡的实例。

对于超过 9 倍太阳质量的大质量恒星,其内核坍缩过程将过于剧烈,以至于无法变成相对稳定的红巨星,而是飞快地完成氦聚变、碳聚变、氖聚变、氧聚变、硅聚变过程,产生非常剧烈的超新星爆炸。并且最后在内核留下一颗中子星甚至黑洞。也有一部分质量大于太阳的恒星会在寿命结束时安静地步入氦聚变阶段,但无法触发碳聚变,从而变成一颗白矮星。

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《戴森球计划》中描绘的黑洞景象

游戏中的黑洞有着非常优美的画面表现,它比较准确地呈现了黑洞吸积盘的形状,以及接近黑洞时,外界光线扭曲的景象。但并未呈现黑洞对光线扭曲导致的吸积盘光度不对称现象。

此外,现实中大质量恒星有相当高概率伴生着较小质量的另一颗恒星,组成双星系统。估计是出于游戏性考虑,《戴森球计划》并没有任何双星或三星的星系存在。

石墨烯与碳纳米管

《戴森球计划》中用于制造太阳帆的材料,除了一个像是魔法一样的光子收集器,另一个便是石墨烯。

石墨烯其实是目前科学研究非常热门的领域,它拥有许多优秀的物理性质:几乎完全透明、具有超高的导热系数和超低的电阻率,并且由于实际上就是单层石墨,是由2D蜂窝状晶格碳原子组成的平面结构,如果解决了制备的困难,在自然界丰度很高。

石墨烯潜在的应用方向研究非常多,其中就有作为光压飞行器的研究,在2015年6月发表的一则研究报告中,中国南开大学的陈永胜团队发现了宏观的石墨烯材料受光驱动效应,有望依据这一原理制备太阳帆。


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魔角石墨烯示意

此外,有望实现高温超导性的“魔角石墨烯”近日也因为天才少年曹原而频频见诸报端。具体来说,就是将两层石墨烯以大约 1.1° 左右的角度重叠在一起,通过调控载流子密度,实现了 1.7K 下的超导性。

此外,还有像是用于制造集成电路,用于监测特定分子等等,石墨烯在现实中有着相当广阔的研究和发展前景。


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碳纳米管

而将石墨烯卷成圆筒的形式,则可以制备成为碳纳米管,这又是另一个明星般的前沿材料。由于管上每个碳碳键之间是 SP2 杂化轨道,使得碳纳米管的模量和强度都很高。由于碳纳米管的一维特性,其可用作模具制作超精细一维材料,或是用于制作复合材料等。还有像是应用超顺排碳纳米管技术之后制作的触控屏幕,也让触控屏幕的制造有了绕开稀有金属矿物的方法。

Breit-Wheeler过程

当《戴森球计划》进行到终局阶段时,玩家将会解锁一个将光子转变为反物质与氢的科技。在现实中,类似的反应确实是存在的。1934 年,Breit 和 Wheeler 发表了一篇的论文,提到了高能光子相互作用产生正反粒子对的可能性。这是正反粒子互相演灭的狄拉克过程的逆过程。

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Breit_Wheeler过程

由于光子截面实在过小,反应需要的能量过高,直到 2014 年才终于有实验证实了这一反应的存在。从而证明光子的能量确实可以转变为具有静止质量的基本粒子。

现实中的风力与太阳能发电

在《戴森球计划》中,玩家点出的第一个科技就可以解锁风力发电机–只要是有大气层的星球,风力发电机就可以提供源源不断的电能,而且自带供电覆盖范围,由于过于好用,玩家常常会在游戏后期以前都一直依赖于使用风力发电机进行供电。

太阳能发电则稍微复杂一点,只在白天能发电,晚上则无法工作。而如果是在潮汐锁定的永昼面,太阳能可以取得非常大的作用。事实上,这与现实中的这两个未来明星能源根本不是一回事。


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海上风电场

甚至不需要我专门点出这一点,大家也都知道这样的常识:风能和太阳能是不稳定的。风总是忽大忽小,而太阳能呢,晴朗还好,只要天空飘来一片云,太阳能发电场就只能歇菜。

在实际应用中,风力与太阳能这样出力不稳定的电源,需要用可以自由调整出力的火力发电进行配合,从而实现总发电功率的稳定。此外,为了稳定风力发电机的输出电压而普遍应用的调相系统,会给电网带来剧烈波动的无功功率输入,导致严重电能质量问题。而光伏发电的逆变装置,则是会引入大量的谐波,同样威胁着电网运行安全。

虽然利用可再生能源的风能与太阳能发电确实是未来的能源利用方向,但就现在的科技水平而言,距离完全抛弃火力发电而转用这两种可再生能源,还是相当不切实际的想法。

引力透镜

在《戴森球计划》中,玩家可以用引力透镜来增强微波接收器的效率。虽然这与现实中的引力透镜似乎完全没有关系,不过这一个名词还是能够好好掰扯一下的。

首先是关于透镜,生活中可以经常见到自然存在的透镜现象。最简单的,一个透明的玻璃杯,里面装上水,这就组成了一个凸透镜。凸透镜可以将一侧入射的光线,汇聚到另一侧的一点处。这一汇聚点被称为焦点。如果观测者处于焦点到透镜之间,看到另一侧的像就会被放大,如果观测者处于焦点后面,就会看到颠倒的像。


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引力透镜

引力透镜的原理与透镜相类似。万有引力会对光的传播产生影响,大质量恒星会产生明显的引力透镜现象,即远处传来的光线在经过恒星周围引力场时会扭曲,从而汇聚在一个焦点处。考虑到普通的透镜可以用于制造放大镜、望远镜等。像是太阳这么巨大的引力场组成的引力透镜,就有可能用于放大远处星光的像,从而更精确地观测遥远的星系。

引力透镜现象也可以用来发现不发光的黑洞,因为它们强大的引力透镜会使得处于其后的星系呈现多个像。弱引力透镜现象也用于发现大量质量富集的暗物质晕。

目前,研究通过太阳引力透镜设置深空天文望远镜的课题已经不再是科幻,而是现实。只是太阳引力透镜的焦点大约在距离太阳 548.7 天文单位的位置,现有的航天技术还远远无法实现在这一位置部署可以与地球通信的望远镜。并且如何屏蔽太阳光照,以及根据透镜图像还原所观测星光的准确图像的算法等等,都尚待研究。

参考文献:

Planet Hunters X. KIC 8462852 – Where’s the Flux?
Search for Artificial Stellar Sources of Infrared Radiation
Detectability of Extraterrestrial Technological Activities
The warp drive: hyper-fast travel within general relativity
What is the Casimir Effect?
Solar Lensing Telescope: NASA Scientists Propose New Technique to Directly Image Surface of Distant Exoplanets
NASA Space Sience Data Coordianted Archive
Collision of Two Light Quanta

作者:阵亡者不杀
来源:VGtime
地址:https://www.vgtime.com/topic/1114568.jhtml

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