戴森球:造一個大殼把太陽圍起來,讓它變成大號的聚變發電機

來源/老和山下的小學僧

作者/小學僧

封面/圖蟲創意

今天又是一個高端話題。

帶來這個話題的，是一位2020年2月28日剛剛去世的物理學家，弗裡曼·戴森，享年96歲。

1/ 超大號太陽能電池

95%的人類能源，歸根結底來自太陽，不管是風力水力人力畜力，還是煤炭石油天然氣。

風，太陽照射不均勻導致空氣流動。水，陽光使水蒸發形成河流。人力畜力，植物通過光合作用收集太陽能，再轉移到動物身上。化石燃料，儘管產生機理尚有些許爭議，但依主流觀點看，能量源頭還是太陽。

近幾年世界一次能源消費結構佔比

地球就是一顆大號太陽能電池，充電46億年，揮霍300年，如今還剩多少電量？

2/ 能源與文明等級

這是個古老的話題，本僧用數據重新捋一捋。

2000年，從私家車保有量看，估摸約有12億人過著空調汽車的現代化生活，其中西方發達國家9億，中國1億，第三世界2億。這一年，全球消耗了35億噸石油，46億噸煤炭，2.4萬億立方天然氣，折合110億噸標準煤。

2019年，全球消耗50億噸石油，80億噸煤炭，4萬億立方天然氣，折合180億噸標準煤。這180億噸煤讓20億地球人過上了現代化生活。

同理，假設我們讓剩下55億人也過上同樣的生活，則每年需要675億噸標準煤。

經濟一旦發達了，人口通常就不增長了，依這個邏輯，全球共同富裕後人口按100億計，則每年需要900億噸標準煤。900億噸，這就是全人類共同奔小康的代價。

目前全球已探明可採儲量，石油2300億噸，煤炭1萬億噸，天然氣205萬億立方，一共折合1.3萬億噸標準煤。如果是地球人民一起奔小康，只夠奔15年！難怪大夥要打成一鍋粥，先起來那十億人死活要摁著咱們這十億人。

但事情其實沒這麼悲觀，幾十年前就有人喊石油只夠用幾十年了，但幾十年後新探明的石油儲量越用越多，到今天一算，還能再用幾十年。

採石油就和擠牙膏似的，幾十年後還有幾十年，到底有完沒完？據磚家估計，地球上化石燃料不管有沒有探明、能不能開採，一口價：10萬億噸石油，10萬億噸煤炭，1000萬億立方天然氣，折合22.8萬億噸標準煤。這隻夠全人類小康250年，這點時間還不夠咱們決定要不要建對撞機呢！

必須得上新能源！水力風力來源不穩定，萬一來個乾旱天，大家都得吃乾飯，因此不可能做主力，還是直接上可燃冰吧。

可燃冰也屬於化石燃料，深埋大洋下，別說開採了，想探明儲量都沒那麼容易。美國地質調查局折騰了幾十年，現在比較流行的說法是2.1萬萬億立方，折合26萬億噸標準煤。足夠100億地球人民小康290年，加上前面撐的250年，熬到三體人進攻地球綽綽有餘。

化石燃料在能源消耗中佔比一直穩定在85%左右，絕對的主力。但化石燃料畢竟只是太陽指甲縫裡漏到地球的一些光，攢了幾十億年，只夠人類文明卯足勁往前奔500年。

順帶說一下，有研究認為，化石燃料可能來源於原始地球的甲烷，這和太陽的關係就不大了，但主流觀點還是喜歡生物遺骸變石油的故事。磚家都搞不清楚，咱外行就不嘰歪了，還是翻翻地球自己的家當吧。本僧保證下面幾樣家當，實打實是地球自己攢的！

3/ 地球的家當

核能，特指鈾礦，是別的恆星爆炸剩下的殘渣，和太陽沒一毛錢關係。

已探明的鈾儲量不到500萬噸，用中子把鈾238轟成鈽239，折合14萬億噸標準煤，遠遠超過已探明的化石燃料1.3萬億噸。現在知道某大國為啥削尖腦袋鑽核能了吧？

驚喜的是，地球媽媽攢的不止這麼點，僅僅地殼裡就有130萬億噸鈾，只是過於分散沒法收集。不過不用慌，磚家說可開採的鈾礦怎麼著也應該有3500萬噸，折合100萬億噸標準煤，可奔小康1000年，足足是化石燃料的2倍。

化石燃料加核能，已經能奔1500年了。

萬一到時候物理學被封死，找不到新能源，咱還能從地球媽媽的家當裡翻出寶貝，繼續奔小康。

地熱能，80%來源於地球自身放射性元素衰變所釋放的能量，沒太陽什麼事。因為地球到處有微量的放射性元素(如鉀40)，這些元素不停衰變釋放熱量，所以地球就像是不停發熱的暖寶寶，妥妥一個低功率版的核反應堆。整顆地球的發熱功率為442億千瓦，相當於現在人類文明總功率的2倍。可喜的是，暖寶寶發熱這麼多年，可沒浪費，都攢著呢！

憑直覺，你認為地球平均溫度有多少？外層地殼，平均溫度14度，薄薄一層僅佔地球質量0.4%。下一層地幔，平均溫度估摸1100度，佔地球質量68%。最裡面地核，平均溫度估摸5000度，佔地球質量31.5%。剩下的大氣層不計。這樣算下來，整顆地球的平均溫度有2300度。

沒想到吧？地球其實是一顆溫度高達兩千多度的大球。要知道，核反應堆的最高溫度也就一千多度，這尼瑪就是一顆現成的核反應堆啊！

從地幔地核的成分看，比熱按1計算，整顆地球蘊含的熱量相當於5萬億億噸標準煤。但是，根據熱力學第二定律，你沒法把所有熱量都用來做功，而且你也不好意思把地球熱量抽乾了變成一顆冰球吧？咱矜持點，磚家評估，當前可利用的地熱資源只有總量的十萬分之一，折合5000萬億噸標準煤，可奔小康5.5萬年。

說個題外話，地球內部除了最裡面的內地核，大部分是可流動的液體或熔融狀態，也就是說，什麼亞歐板塊、美洲板塊、太平洋板塊之類的，都是浮在液體上的一層薄片。如果要推動地球，必須要把地熱引到外界，或者往地幔裡灌注特殊材料，使整個地球內部堅如磐石才行。不然發動機會把薄薄的大陸板塊慢慢摁到巖漿裡。

5.5萬年，雖然比原先幾千年多了一個數量級，但也不算富裕，咱繼續。

4/ 潮汐能的本質

潮汐由太陽和月球引力引起，可以簡單理解為月球吸著海水繞圈跑，當月球引力和太陽引力重疊時就是大潮，反之就是小潮。

很多人以為潮汐能不消耗能量，這顯然違背了能量守恆定律，潮汐能本質上是地球自轉動能和月球勢能。潮汐能最終會因為摩擦變成熱量而消耗，導致地球自轉變慢以及月球不斷遠離地球。

潮汐能每天定量定點供應，極為不便，但卻提供了一個清奇的思路：可以利用地球自轉的動能發電，這算是地球媽媽最後留給我們的能量了。這筆壓箱底的家當非常驚人！這麼說吧，世界上所有的石油煤炭天然氣可燃冰，100%轉化成能量來阻止地球自轉，那麼，地球自轉周期僅僅只是減少2毫秒。地球自轉動能有2.57×10^29J，折合900億億噸標準煤，足夠人類揮霍1億年。

如果1億年還嫌少的話，地球繞著太陽轉的動能也不是不能考慮，公轉動能是自轉動能的1萬倍，稍微用一點也不至於讓地球掉太陽上。開個玩笑，如果人類淪落到對地球動能、月球動能、火星動能敲骨吸髓，那還不如回到原始社會了。

其實，不管是恆星還是行星，動能都來自於早期的引力勢能，比起化石能源算得上巨無霸，但在真正的土豪面前仍然是小兒科。

5/ 真正的能量土豪

按照當前的物理理論和宇宙模型，早期宇宙裡飄蕩的絕大部分物質是氫，氫原子抱團組成了恆星，恆星內部引力導致氫聚變，聚變產生各種元素和能量，元素和能量演繹出豐富多彩的世界，於是就有了我們。

也就是說，能量來源於氫聚變，氫才是背後的大土豪。所以，地球上真正算得著的能源，是地殼中佔比0.76%的氫。幸運的是，人類掌握聚變技術永遠還需50年，因此地球上的氫幾乎原封未動，咱們趕緊盤盤帳。

現在搞聚變都是瞄著最容易的氘氚聚變，萬一搞成了，大海裡有45萬億噸氘，足夠我們奔小康50億年。

50億年也不算啥，真要急眼了，氫氫聚變也不是不可以，嚴謹點叫氕氕聚變。雖然技術路線不存在，但理論還是在的，搞點反物質把氕催化一下，弄出中子就能聚變形成氦核。別聽到反物質就嚇傻了，質子變中子叫逆β衰變，已經被實驗觀測到了。

這能把千分之七的質量轉變成能量，終於，我們可以用到那個著名的質能方程了：E=MC^2。

不過地球上四分之三的氫在水裡，不能把水折騰沒了，我們用剩餘那四分之一做聚變，產生的能量相當於N噸標準煤，足夠揮霍1億億年。提個醒，宇宙誕生才多少年？

即便把氫都折騰成氦，氦還能繼續折騰成碳，碳還能繼續折騰成氧……後面還有很多個億億年。

回過頭看，人類誕生200萬年，不過是消耗了化石能源的一個零頭，化石能源不過是核能地熱能的一個零頭，核能地熱能不過是聚變能的零頭的零頭……也就是說，人類文明連地球能源的零頭的零頭的零頭的零頭，都尚未完全發掘，科技水平有多高，各位心裡有數了吧。

6/ 太陽系的扛把子

感嘆一下，從太陽系的視野來看，儘管人類胡吃海喝數百年，消耗的能源其實微乎其微。如果按當前的生活水平過日子，光是地球上的能源就可以揮霍到天荒地老。

但是，聚變搞定了，肯定要縱橫太陽系，人均能耗必然蹭蹭漲。根據計算，月球出差相當於北京出差，按這種生活節奏，人均能耗少說增加1萬倍，再加上星際探索等等，原本1億億年的儲量，假設縮減到1億年。

好了，1億年後，物理學依然死亡，能源依然靠核聚變，怎麼辦？不用擔心！木星和土星，質量加起來是地球的413倍，而且75%以上都是氫。地球媽媽那點能源，到這兒都不好意思說零頭了，只能算誤差。木星土星的氫含量是地球的1000萬倍，就算物理學已死，也足夠人類再揮霍NN年了，地球如果真要流浪，千萬記得把這倆燃料灌帶上。

下圖左邊第三顆是地球，中間兩顆最大的是土星木星。

NN年後，物理學繼續死亡，仍然不用擔心。

太陽系的扛把子當然是太陽，別說木星土星了，太陽系裡所有行星衛星彗星隕石全加起來，在太陽公公面前都只能算誤差。太陽佔據了整個太陽系質量的99.86%，而且，全是燃料。換句話說，整個太陽系的能源幾乎都在太陽上，地球那點家當不知道排在小數點後多少位！太陽對外輻射1秒鐘的能量，就足夠全球人民小康15萬年，其中只有22億分之一照到了地球，再其中的萬分之一被人類利用，實在太浪費了！

於是，我們很難不把主意打到太陽這個大號燃料罐上，其中的巔峰人物就是弗裡曼·戴森，於1960年提出的戴森球理論。

7/ 戴森球

在卡爾達舍夫文明等級提出之前，戴森就提出了能源與文明等級的思想。他認為，就地球上那點破能源，不足以支撐人類文明發展到高級階段。一個高度發達的文明，必然是高能耗的文明，免不了要打恆星的主意。

太陽是一個實打實的聚變反應堆，造一個大殼把太陽圍起來，就是大號的聚變發電機，這是戴森球的基本思想。

但是給太陽公公加外套可不是容易的事，力學結構不是現有理論可以解決的。於是，戴森球就演變成了戴森雲， 不一定把太陽裹那麼緊，發射一堆能量收集器，圍繞著太陽轉也行。

把戴森雲整合成環狀，就成了戴森環，還有戴森群等各種版本。這些結構統稱「戴森球」。

8/ 如何建造戴森球

人類利用太陽能有兩種方法。一是光伏發電，直接用太陽能面板把光能轉化成電能，大家很熟悉了。二是光熱發電，用一堆鏡子把太陽光反射到一起燒開水，然後用蒸汽推動電機發電。這個一般小盆友都沒聽過，但實際上已經有一些應用了。

本僧掐指一算，顯然後者更合適。咱也不要貪心，只收集1%的陽光。那就開幹吧！

第一，選址。在地球附近弄到1%的陽光，面積要有2200萬個地球那麼大，太費勁！咱離太陽近點。

早在1976年，美國太陽神2號就飛到了距太陽4343萬公裡的地方，2020年1月份，美國帕克太陽探測器將記錄刷到了1867萬公裡，面向太陽一側的溫度達到了612度，帕克號按計劃將在2024年12月飛近到616萬公裡，溫度預計達到1400度。今天的飛行器已經有能力靠近到太陽1000萬公裡以內了，考慮到溫度、太陽風等因素，咱們將戴森球位置設定在距太陽1000萬公裡處。

第二，原料與能耗。水星，離太陽最近的行星，由大約70%的金屬和30%的矽酸鹽組成，這些材料非常適合做反射鏡。雷射武器裡的反射鏡成分就是二氧化矽和金屬，對某些波段的反射率可以達到99.9%，耐高溫性能也是妥妥的。

假設每個反射鏡發射到太空後展開面積1平方公裡，加上通信、調姿發動機等必要部件，總重5000噸。反射1%的太陽光，需要12.6萬億個反射鏡，合計6.3億億噸原料，不到水星質量的0.05%。

水星大氣層稀薄，只要在地面建造大型電磁加速裝置，就可以把反射鏡加速到第二宇宙速度，直接發射到太空，很節能的。所以，這本帳可以這麼算：把0.05%的水星融化製成反射鏡，並發射到太空，按水星比熱1和第二宇宙速度4.4km/s估算，需要7*10^26J的能量，足夠全球小康26.5萬年。這是一筆不小的開支，最好能在水星自籌糧餉。

第三，設計方案。水星的太陽輻射功率每平米9000W，未來光熱發電效率按50%計，則一個反射鏡就是45億瓦。製造和發射一個反射鏡的能耗是50萬億焦，相當於反射鏡3小時產生的能量，再加上開採、提煉、運輸、損耗等，按5小時計。

向水星發射一組自動化生產設備，這些設備可以利用反射鏡的能量和水星的物質自我組裝，像病毒一樣繁殖。生產設備數量就會成指數增長，只需26輪，就可以在水星表面每平方公裡建一座工廠，共7500萬座工廠。每座工廠製造一個反射鏡需要5小時，則完成整個工程需要100年。要是等不及，還可以在太空建工廠，幾十年內肯定妥。

第四，揮霍。控制反射鏡方向，就可以把1%的太陽輻射投送到指定位置，比如火星，於是，我們就有足夠的能量把火星改造成宇宙飛船。同理，把剩餘的水星全都拆成反射鏡，修建100個類似的反射陣列，就可以把太陽能量集中投送到太陽系各個地方，供人類修建各種超大型太空設施。

第五，庇護。戴森球除了供人揮霍之外，還有一個重要意義。太陽亮度大約每11億年增加10%，這10%會讓地球氣溫高到無法維持液態水的存在，地球生命都得烤成肉乾。

我們必須在10億年內解決這一問題，其中的備選方案，就是在地球和太陽之間修建戴森雲，將多餘的太陽輻射投送到其他地方，避免地球被燒沸騰。

9/ 太陽系危機

看起來形勢還不錯，只要守著太陽這顆無邊無際的能源，地球上的危機都不叫事兒。但是，如果物理學始終無法解開空間密碼，一旦太陽系遭遇致命危機，我們怕是只能帶著太陽流浪了。

700光年外的獵戶座α星，已經步入生命末期，即將在幾百萬年內發生超新星爆炸，到時侯會清空幾十光年內所有生命，被它的伽馬射線擊中，即便在700光年外，不死也得脫層皮。幸運的是，獵戶座α星自轉軸與太陽系有20度的夾角，這個夾角使得地球與伽馬射線爆擦肩而過，讓我們還有閒心看個熱鬧。

可是，躲得過初一躲不過十五，150光年外的飛馬座IKB星，也是蠢蠢欲動，8000光年外的人馬座WR104星，正對著太陽系虎視眈眈……終極大戰可能來自40億年後，咱們的銀河系帶著3000億顆恆星，撞上了，擁有10000億顆恆星的仙女座星系。

假設那會還有人類文明的話，如果我們不能躲到更高的空間維度裡，就得推著自己的恆星，在一片混亂中，儘量避免與其他恆星相撞。

10/ 恆星發動機

這不是科幻作家拍大腿的產物，而是正經發表在2019年12月《宇航學報》上的研究成果。美國天體物理學家馬修·卡普蘭提出了一種可以推動恆星的發動機模型，稱為「卡普蘭推進器」，依靠現有的物理理論就能完成。

第一，建造一個戴森環。第二，利用戴森環反射陽光到太陽某一點，使其加熱到極高溫度，從而掀起大量氫和氦。第三，收集氫和氦，注入到聚變發動機內，變成兩束高速等離子體噴射出去。第四，其中一束向後噴射，作為推動太陽的動力，另一束噴向太陽，維持引擎和太陽的距離，防止引擎墜落太陽。

根據卡普蘭的計算，這個引擎每秒燃燒數百萬噸物質，可以在100萬年內，將太陽系整體移動50光年，足夠逃脫超新星伽馬爆的擊殺或恆星相撞。

要知道，對超新星爆炸、恆星相撞之類的預警時間達到上百萬年並不是很難的事，所以卡普蘭推進器能夠應付大多數情況。

更妙的是，這種引擎從太陽薅了大量物質，反而可以延長太陽壽命，因為質量小的恆星燃燒更慢，太陽系保持宜居狀態的時間會多出幾十億年。

幾十億年後，我們可以換一顆太陽，繼續推著恆星走出銀河系，穿越十大星系，遊歷整個宇宙！

想想是不是很激動？別急，真正的危機可能剛剛開始。

最近，天文學家發現1480光年外的天鵝座KIC8462852恆星的亮度在很短時間內快速下降，像是被什麼東西遮住了，目前還沒有靠譜的解釋。

於是一群好事之徒就認為，是那邊的智慧文明修建了戴森球，並把這類恆星稱之為「戴森球恆星」，目前人類一共發現了2顆所謂的戴森球恆星。

地球上無數望遠鏡對著這顆恆星，希望能找到一個合理的解釋。好在地球文明連化石燃料都沒折騰明白，很難對1480光年外有啥想法。可他們要是被三體文明盯上，那就有意思了。

戴森球很可能會讓太陽成為宇宙裡的可疑恆星，想撈點能源可真不容易。

11/ 終極謎底

人們對於科學有一種近乎宗教般的迷信，總覺得未來科技可以解決任何問題，比如，超光速飛行，空間跳躍，時光倒流，一顆小電池提供無限能源……

但是，我們不得不做好另一方面的思想準備，萬一科學是有邊界的，有一些定律無論如何不可能打破，比如，動量守恆，質能守恆，瞬間移動，憑空變出一輛車……這也許意味著，飛行永遠只能靠扔東西，能源永遠只能靠燒開水，宇宙間所有文明都會被死死限制在物理規則內。

科學，到底是不是無所不能？咱們這一代怕是見不到謎底了，真的好想向天再借五百年啊！

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