二十世纪最伟大的数学物理学家去世，他提出的“戴森球”究竟存在吗？

本文来自微信公众号：中国科普博览（ID：kepubolan），作者：张同杰

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美国普林斯顿高等研究院的物理学家弗里曼·戴森（Dyson, Freeman J.）于2020年2月28日因突发疾病去世，享年96岁，引起国内外媒体关注。

作为一名物理学家，他只想寻找能解决的有趣谜题

戴森老先生的研究领域广泛，从基本粒子物理学、量子电动力学理论、核物理到数学、生命起源、星际旅行、全球气候变化和科幻创作等。他曾经和上个世纪出现的许多著名物理学家一起工作过，也是杨振宁先生的同事和朋友。他在物理学领域的造诣深厚，于1953年获得普林斯顿高等研究院永久职位，足以说明他的学术水平。他谦虚低调，曾经说过，他喜欢寻找谜题，找那些能解决的有趣问题，不在乎他们是否重要，而绝对不会沉迷于解决那些大谜题。

在戴森去世后第二天（2020年2月29日），著名数学家丘成桐就缅怀戴森评价说，戴森可以说是二十世纪最伟大的数学物理学家，他在数学上的重要影响有两个方向，一个方向是通过 Exclusion Principle（不相容原理）来解释物质稳定性的问题；另一方面他在原子谱上问题的猜测引发了一连串的 Random Matrix（随机矩阵）理论上的重要发展。 他在普林斯敦高等研究所做教授时跟戴森认识，戴森见识超凡，但却是平易近人。在戴森九十多岁的时候，依然对物理和数学还有欣赏能力。他很佩服戴森。

但他提出的这个问题，至今没有答案

其实，他并不是没有探索过大谜题，比如他提出的戴森球（Dyson Sphere）设想，至今令地外文明研究者着迷。

戴森球的概念可不是戴森的科幻小说或者文学作品，而是源自他建立的思想实验，即1960年发表在《科学》杂志上的论文“搜寻人工恒星红外辐射源（Search for Artificial Stellar Sources of Infra-Red Radiation）”。  

图片来源：《科学》

戴森在文章认为，宇宙中任何技术文明对能量的需求都是稳定增长的，如果这些文明能够生存延续足够长的时间，总有一天对能量的需求会膨胀到要完全依赖其母恒星“全部”的能量输出。此时如果这个文明达到了很高的技术水平，那就有必要建立能够拦截和收集母恒星发出的所有能量的轨道结构，即戴森球（Dyson Sphere）（如上图）。

戴森球的存在会吸收和再辐射其所包围的母恒星的辐射能量。根据量子物理，戴森球再辐射出的能量的波长取决于其温度及其物质组成。戴森球最有可能由重元素制造而成，因此它可能会引起红外波段的光谱辐射量的增加。估算可知，如果其红外辐射能量增加非常显著，就可以在星际距离上探测到。

上个世纪，天文学家就曾通过红外天文卫星（Infrared Astronomical Satellite，IRAS）试图分析恒星光谱数据寻找过这样的戴森球结构。我们期待着新一代红外天文望远镜能够通过恒星的光谱数据继续搜寻戴森球，已尽IRAS红外天文卫星未能完成的任务。

图片来源：IRAS

1964年，苏联天体物理学卡尔达肖夫（Kardashev，1932.04.25－2019.08.03）提出一种判定文明量级的标准，用宇宙中一个文明所能够利用的能源量级来量度文明层次及技术先进程度。按照这一标准，文明可以被分成三个量级：I型（10¹⁷ W）、II型（10²⁶W）和III型（10³⁶W）。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围绕的恒星所有的能量，III型文明则利用它所处星系的所有能量。

一般认为，我们地球上的人类文明现在接近但尚未达到I型文明。小说作者、世界一流的天文学家和科学活动家卡尔·萨根（Carl Sagan）认为我们的地球文明大约是0.7型。日裔美国籍理论物理学家、科普家，纽约市立大学的理论物理学教授加来道雄（Michio Kaku；1947.01.24－）认为我们地球人类可能在100-200年左右达到I型，在几千年后达到II型，而约在10万-100万年后达到III型文明。根据这个标准，外星文明要建造戴森球这样系统意味着至少已经到达II型文明。

2017年，一颗名为KIC 8462852的恒星曾经得到很多人的关注，主要是因为天文学家Boyajian等人在2016年发表文章称，发现了一颗具有异常行星凌星现象的恒星KIC 8462852。因为这种异常的行星凌星现象，有人认为，可能是外星人包围这颗星建造了戴森球（Dyson Sphere。其实，根据科学家估算，外星人在KIC 8462852星周围建造了戴森球的可能性极小。

卡尔·萨根有一句名言，也是科幻电影《Contact-超时空接触》的结束语:  "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类，那将是对空间的极大浪费。”

其实，对地外文明是否存在的疑问存在于我们每个人的心中，对可能存在的地外生命的寻找更是从未停止，我们期待答案揭晓的那天早日到来。

参考文献：

[1]张同杰 外星人包围KIC 8462852星建造了戴森球(Dyson Sphere)了吗?

[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.

本文来自微信公众号：中国科普博览（ID：kepubolan），作者：张同杰