戴森球

戴森球（Dyson Sphere）是弗里曼・戴森假想出的包圍母恆星的巨大球形結構，它可以捕獲大部分或者全部的恆星能量輸出。戴森認為戴森球是長期生存技術文明對於能量需求增長的必然需求，並認為尋找其存在的證據可以引導發現先進和智慧的外星生命。不同型別的戴森球和它們的能量收集能力將對應於在卡爾達肖夫指數水平上的技術進步。

自從該概念提出以後，諸多科幻作品裡提出的包圍恆星的人工建築都被冠以 “戴森球” 之名。後續的設想認為戴森球上不僅有太陽能發電站，還有人類殖民地和工業基地存在。

可行性

雖然一些經常提及的設計 —— 特別是以 “戴森殼” 為基礎的設計 —— 是不切實際的，但現代軌道衛星和太陽帆技術已經得到發展並能進行一定的實際應用，建造戴森球結構並不需要當前技術取得理論上的突破。部署使用光電池的宇宙飛船和衛星可能是建造 “戴森雲”（參見下述的子型別變體）過程中踏出的第一步。然而，建造部署能夠覆蓋太陽系規模巨大數量的宇宙飛船和衛星仍遠遠超出人類當前的工業生產能力。在建造過程中同樣可能存在不可預見的巨大困難，而當前人類對工業自動化的理解和應用也不足以維護這個巨大的自維持系統。

變體

在虛構作品中，戴森球常常被描述成一個包圍恆星的人造空心球體。這是對戴森球原意的曲解。在回覆有關他論文的信中，戴森說，“一個圍繞恆星的球殼或環從物理上來說是不可行的。我設想的‘生物圈’的形式是由鬆散的太陽能收集器或獨立環繞恆星軌道的衛星雲構成。”

3.1 戴森雲

最接近戴森最初概念的變體是 “戴森雲”（Dyson swarm）。它由巨大數目的密集環繞恆星執行的獨立結構（通常是太陽能衛星和太空定居點）組成。這種戴森球結構有這樣幾個優勢：組成戴森群的元件可以自由調整數量和設計尺寸，這樣便能在長時期內逐步建造。 不同形式的無線能量傳輸形式可以用於結構之間的能量傳遞。

戴森雲也有其劣勢。軌道力學規律決定了戴森雲的軌道排布將會極度複雜。最簡單的排布方式莫過於戴森環，在這種佈置中，所有太陽能收集器共享同一個軌道。複雜的多環模式可以攔截到更多恆星能量輸出，但環軌道重疊時會造成周期性的食。 另外潛在的問題是，增加軌道結構會加強對其他結構的攝動，從而降低軌道的穩定性。

下面會繼續提到，這樣一個收集器 “雲” 將會改變恆星系統向宇宙發射的光線，但可以預見的是，它不會完全遮蔽恆星的光線，恆星的自然光線仍將在其發射的光譜中存在。

3.2 戴森泡

戴森球的第二種形式是 “戴森泡”（Dyson bubble）。它類似於戴森雲，由許多獨立的結構組成，同樣也可以逐步地進行建造。

不同於戴森雲，此方案不是用環繞軌道的方法，而是透過巨大的承受光壓的太陽帆來抵消太陽的引力。這樣的結構可以免於衝撞以及食的危險；各個結構對於母恆星來說可能是完全靜止的，並且相互獨立。由於光壓和恆星引力之比是恆定的，與距離無關（假設太陽帆衛星與太陽的連線上沒有被其他物體），此類靜止衛星可以自由調整其與中心恆星的距離。

按照現代材料科學的能力，該方法實踐起來仍存在問題，但是有潛力達到。環繞母恆星的太陽帆衛星需要一個總密度為 0.78 克 / 平方米的帆。為便於闡明所需材料不需要很大質量，想象一下半徑為 1 天文單位的單個戴森泡的質量僅為 2.17×1020 千克，這僅相當於小行星智神星的質量。

但上述的材料在當前仍然超出人類的技術能力：人類目前能製造最輕的碳纖維太陽帆在無載荷時密度為 3 克 / 平方米，是建造上述太陽帆衛星所需材料密度的四倍。

然而，預計透過分子製造技術實現超輕碳奈米管的手段生產的物質密度將會低於 0.1 克 / 平方米。如果在工業規模上製造這樣的物質是可行的，那麼它就可以利用於輕太陽帆之上。帶有纜索的太陽帆密度可以保持在 0.3 克 / 平方米左右 (“自旋穩定” 的太陽帆需要極小的附加重量用作纜索）。如果太陽帆能夠按照此面密度製造，則類似於 L5 協會中提及的歐尼爾圓柱體的太空定居點 —— 面積達 500 平方千米，可居住一百萬居民，重達 3×109 千克 —— 就能透過直徑 3000 千米的圓形太陽帆來維持。這種組裝定居點總重為 5.4×109 千克。該結構的直徑大致等於香港到哈爾濱的距離，只比木星的衛星木衛二稍小，但質量卻比多數小行星小得多。建造如此巨大質量的太陽帆定居點將耗費極大的人力物力，並且從材料科學上來說還有諸多不確定因素，但比起其他型別的戴森球變體所需要的技術和材料來說卻是切合實際多了。

理論上，如果造出並圍繞恆星部署了足夠數量的太陽帆衛星，那麼就能組成一個非固定的戴森泡。這種結構既沒有受到巨大壓力影響的缺點，也不必達到固定結構的戴森殼所需要的超大質量。但這種殼體有著跟固定結構的戴森殼一樣的光學和熱力學特性，可以被其他宇宙文明透過類似的方式偵測到。

3.3 戴森殼

科幻小說中經常提及的戴森球變體是 “戴森殼”（Dyson shell）：一種環繞恆星的均勻殼體。這種結構能夠 100% 攔截恆星的能量輸出，從而完全改變中心恆星的光線發射。如果其表面能夠居住的話，它能夠為設想中的人類定居點提供極大的活動空間。

若在太陽系中建造一個半徑為 1 天文單位的戴森殼，則其內壁上任意一點上將接收與地球上接收到的等量的太陽輻射。該戴森殼的內壁面積至少為 2.72x1017 平方千米，這等同於 5.5 億倍的地球表面積。這個戴森殼將攔截全部 4.0×1026 瓦特的太陽能量輸出；其他戴森球變體攔截的能量則較少，戴森殼所能獲取的能量是太陽在該進化階段我們可能能夠獲取的最大能量值。 這大概是人類在 2010 年消耗的全部能量 1.7x1013 瓦特的 23.5 萬億倍。

不過戴森殼也存在一些理論上的困難：

上述殼體模型沒有考慮到將中心恆星包含在內的重力互動作用，這可能因中心恆星的影響而發生偏移。如果這樣的偏移運動得不到糾正，最終可能導致殼體和恆星的直接碰撞，這很可能導致災難性的結果。這樣的結構需要某種形式的推進力去抵消偏移，或採用一些辦法使得殼體表面遠離恆星。

出於同樣理由，戴森殼沒有考慮殼體內部任何其他物質與其自身的重力互動作用。任何殼體內部的生物圈將不會被吸引到殼體的表面，而是會墜入恆星之中。在某些設想中，生物圈可以放置於兩個同心球之間，置於旋轉球體的內部或靠恆星的引力附著在戴森球的外部。 這種情況下，就應該設計某種形式的照明，或者戴森球至少應該部分透明，否則恆星的光線會被完全阻擋。而在有的設想中，人工重力垂直於旋轉軸，使得球體內部的物質集中於赤道上，有效地使球體類似於尼文環以便定居，同時高效地收集太陽能。

組成殼體的材料需要承受巨大的壓縮力。若戴森球的半徑為 1 天文單位，殼體上任意一點都處於一個天文單位距離處太陽引力作用下的圓形殼體壓力。沒有任何已知的或理論上存在的物質能夠堅韌到承受如此大的壓力，並且能夠用來建造環繞恆星的剛性靜態殼體。曾提出過建造環繞更小的 “超木星” 而非恆星的建議可以透過類似用於的動態方法來支撐戴森殼。在殼體內部環形軌道上執行的物質以明顯高於軌道的速度運動，這使得物質受到離心力而向外壓。對於環繞太陽的半徑為 1 天文單位的戴森殼來說，運動速度 10 倍於軌道速度（297.9 千米 / 秒）的質量將產生 99 倍其自身重量附加於殼體結構上。這些軌道與戴森雲有著同樣的困難，即不確定需要多少能量將被消耗在維持物質的高速運轉上。

太陽系中甚至沒有足夠建設半徑為 1 天文單位的戴森殼的材料。估計太陽系中有 1.82×1026 千克的物質能夠直接用作建材，這用來建造上述大小的戴森殼已經足夠。此時殼體密度為 600 千克 / 平方米，大概 8 至 20 釐米厚，這取決於材料的密度。上述材料還包括了難以獲取的氣體巨行星的核心物質。類地行星僅能提供 11.79×1024 千克的材料，這對於半徑達 1 天文單位的殼體來說密度則只能為 42 千克 / 平方米。這樣的戴森殼對於抵禦星際物質，如彗星、流星或被太陽弓形激波所撓曲的星際物質來說是脆弱的。

3.4 其他型別

另一種可能的形式是 “戴森網路”。這是一個圍繞著恆星的繩索網路，以便能量或熱收集單位能在繩索之間固定。戴森網路是戴森殼或戴森泡的一種縮減形式，這取決於繩索抵抗恆星引力的能力。

泡世界是由環繞著太空中的氫氣體雲的殼體居住空間所組成的人工建築。空氣、人類、建築等等都在殼體內。這個概念是用於回答 “可以建造的最大的空間殖民地” 的。然而大多數的這樣的空間是無法定居的，因為那裡沒有能量來源。

理論上說，任何氣態巨行星都能被包入固體殼之中；在某半徑處，其表面重力會與地球相仿；收集該行星上的熱能可以作為能量來源。該理念在查爾斯・斯特羅斯的小說中曾提及到，文中把土星改造為人類定居點。

恆星引擎是一種設想中的巨型結構，主要用於集中恆星的可用能量，有時也用於特定目的。例如，集中能量用於計算。集中能量用於推進。一些恆星引擎的設計也是以戴森球為基礎的。

黑洞可以替代恆星成為能量來源。因為黑洞往往比恆星更小，由此可以減少通訊的距離，這對於以計算機為基礎的文明來說是非常重要的。

搜尋地外文明

在戴森最初的論文中，他推測足夠先進的外星文明將會採取與人類相仿的功率消耗模式，並最終會建立起 “戴森球”。建造這樣一個系統意味著該文明已經到達卡爾達肖夫 II 類文明。

戴森球系統的存在會改變恆星系統發出的光。太陽能收集器會吸收和再輻射恆星的能量。 收集器輻射出的波長取決於它們的溫度以及材料的發射光譜。由於收集器最有可能由重元素製造而成，而這在中心恆星的光譜裡並不常見 —— 至少恆星大氣中進行的核聚變不會輻射出如此 “低” 能量的光 —— 因此該恆星系統可能輻射出不合常規的光譜型別。如果某恆星由於這類吸收和再輻射而過濾或轉移的能量非常顯著，就可以在星際距離上探測到。

給定距太陽 1 天文單位處每平方米所收到的能量，就可以計算出大部分已知物質在紅外波段的再輻射。在類似於太陽的恆星附近的人類形態的文明造出的戴森球使用類似人類能夠使用的材料，很可能引起恆星系紅外輻射量的增加。因此，戴森發表的論文題為 “人工恆星紅外輻射源的搜尋”。

SETI 在他們的類太陽恆星 “重紅外” 光譜搜尋中使用了該假設。直到 2005 年，費米國家實驗室一直在分析 IRAS 衛星獲取的資料以獲取線索。

有關的虛構作品

戴森球在提出以後就經常在科幻或其他虛構作品中出現。在這些作品中，戴森球往往被描述成 “戴森殼” 的形式，而建造該結構所面對的引力和工程難題則常常被忽略。

5.1 文學作品

諾亞的旅途
造星者
星際迷航
環形世界（作者：拉瑞・尼文），獲雨果獎和星雲獎
Orbitsville
世界是圓的
時間飛船
太陽篡奪者（作者：野尻抱介），獲第 31 回星雲賞日本短篇部門賞
宇宙戰艦山本洋子
最後的武士・連恩懷斯曼
地球聯邦的興亡
星食い鬼（失落的星球・奧加獸）
提升系列
星界的紋章（作者：森岡浩之）
時間迴旋（作者：Robert Charles Wilson）

5.2 動漫

小精靈・17（作者：山本貴嗣）
BLAME!（作者：二瓶勉）
2^999
銃夢 LastOrder（作者：木城幸人）
不可思議星球的雙胞胎公主
銀河旋風
遊戲王 ZEXAL：其中一張 No. 卡名為「No.09 天蓋星 戴森球」
革命機 Valvrave：人類向宇宙殖民的另一種形式

5.3 電視劇

星艦奇航記：銀河飛龍： 第 130 話

5.4 遊戲

宇宙戰艦大和號：二重銀河的崩壞
星環戰役
紅色地面
無限航路
異世紀機器人大戰：R
自由槍騎兵戰役最後一個任務
Stellaris
質量效應：仙女座
Fate/Grand Order
戴森球計劃

5.5 電影

月球隕落