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阵亡者不杀 VGTIME用户 2021-02-22 22:43:46 关注
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《戴森球计划》科幻概念指南·第二部分

本文系用户投稿,不代表游戏时光观点

      因为篇幅问题,以及欠缺考虑的原因,前一篇科幻概念指南并未涵盖《戴森球计划》当中所有的科幻与科学概念。在成稿以后的一段时间,笔者又观察到了许多概念在玩家群体中依然需要进行科普的情况,故而另起一篇,讲讲更多的在游戏中存在,并且很值得进一步了解的科幻与科学概念,既是作为科普,也是对自己知识库的一次梳理。

  毕竟笔者能力有限,欢迎大家看了以后能帮忙发现其中可能存在的问题。有谈论不详细的地方,又感兴趣的话,则可以自行查阅有关资料,我也会留下一些可供参考的资料以进一步阅读。估计后续还会有第三部分,敬请期待。


粒子对撞机

      在《戴森球计划》的游戏后期阶段,玩家可以解锁一种叫做“微型粒子对撞机”的建筑,成本耗费巨大不说,还非常耗电,并且是制造反物质的必须步骤。想必会有许多玩家因此吐槽,这粒子对撞机到底是在搞什么啊!

      顾名思义,粒子对撞机就是将粒子相互对撞的装置。现实中也存在很多著名的粒子对撞机,目前规模最大的是位于瑞士与法国交界处的大型强子对撞机(Large Hadron Collider)(参见),隶属于欧洲核子研究组织,周长足足有27公里。

  而规模更大,目标更长远的对撞机项目也在多个国家研究筹建当中。中国的环形正负电子对撞机—超级质子对撞机项目正是其中一个在筹建当中的项目,因为极其高昂的耗资与不太明确的研究收益,曾引发过很广泛的讨论(参见)。

欧洲大型强子对撞机鸟瞰图(由Maximilien Brice (CERN) - CERN Document Server,CC BY-SA 3.0,https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29027732)

      一两百亿美元的投资,成千上万的科研工作者,哪怕是对数字缺乏概念,你只要想到这样的投资相当于建造一座珠港澳大桥,或是接近于京沪高铁的造价,就足以让人不得不关注这样装置究竟能做些什么。

      首先,我们可以从身边的现象开始说起,一张纸,如果只是安静地放在那儿,它并不会自动燃烧起来,只有被打火机点燃了才会熊熊燃烧。往一锅汤里撒酱油,汤很冷的时候酱油扩散得比较慢,而如果加热一下,就可以明显看到酱油散开得更快了。在中学阶段的化学课,可以学习到很多反应条件是加热,甚至是高温的化学反应。似乎,温度越高,各种反应的发生速度也就越快。为什么呢?

      宏观上的温度上升,对应的其实是微观层面粒子平均动能的上升。粒子与粒子之间想要发生反应,首先要克服不同粒子之间存在的电磁斥力,两个粒子相向而行,它们互相之间存在排斥力,如果速度不够快,会在接触到之前就被弹开,只有速度到位了,粒子才能撞到一起。在低能环境下,这类碰撞往往便导致原子外层电子的相互交换与重组,也就是所谓化学反应。

      然而,如果高能物理学家们想要研究更进一步的反应,比如,原子核与原子核的碰撞重组,或者质子与质子的反应,电子与电子的反应等等,一般的加热就远远无法产生符合要求的碰撞了。尤其是,如果我们想要创造一个试验环境,去模拟诸如宇宙大爆炸发生以后的万分之一秒内,粒子与粒子互相碰撞的情景,那几万亿开氏度的情景是用当下科技不可能创造的。于是,粒子对撞机的概念应运而生。

回旋粒子加速器示意(由KlausFoehl - 自己的作品,公有领域,httpscommons.wikimedia.orgwindex.phpcurid=6776172)

      我们不就是要观测粒子相互碰撞的过程吗?与其加热一团粒子,让它们发生随机碰撞,为什么不直接将粒子加速到足够的速度,赋予足够的动能来相互撞击,发生反应呢?于是,直线加速器,回旋加速器,同步加速器等一种种用于加速微观粒子的设备因此诞生。利用电磁场给粒子施加能量,让粒子团获得极高动能以后相互碰撞,然后观察碰撞过程。这是目前高能物理学主要的试验方法。

      自建成以后,欧洲大型强子对撞机在2012年发现了质量大约为125.2GeV和126.5GeV的新玻色子(参见参见),被普遍推测正是被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子。不过,也有阴谋论者担心高能粒子试验可能产生微型黑洞或者奇异物质,进而招致灾难。总的来说,粒子对撞机是目前最前沿物理学研究的必备试验工具。同时,像是制造反物质——最基本的反质子,目前也只能通过在粒子对撞机这样的高能环境下实现。

      考虑到《戴森球计划》的超高科技背景,制造反物质还需要使用粒子对撞机的办法,不得不说似乎略悲观了一点。

分馏

      不要查阅有关资料,现在就回答这样的问题:你手上有一瓶低度数的酒,只有20%的酒精含量。现在你想要从中提取出更浓的酒精,比如说至少得是65%浓度的,应当怎么做呢?

      答案就是这一小节的题目,分馏。酒精会在78.4℃沸腾为酒精蒸气,水在100℃沸腾为水蒸气,将低度数的酒加热到酒精的沸点以上,又不达到水的沸点,随后收集酒精蒸气,冷凝以后就是更高浓度的酒了。这一工艺实际上已经有大约两千年的历史,一直是制造高浓度烈酒的必经之途。

用于分馏石油的工业分馏塔(由 Luigi Chiesa - 自己的作品, CC BY 3.0, httpscommons.wikimedia.orgwindex.phpcurid=516874)

      工业上,分馏除了用于制造高浓度酒精,同时也是石油化工的重要步骤,原油会通过分馏,分成不同组分:燃气、汽油、煤油、柴油、润滑油、重油、沥青等。

  而游戏《戴森球计划》中的分馏塔用于在氢中获取重氢,现实中也是一个重要的制取重氢途径。液氢的沸点是 -252.87 °C,而液氘的沸点是-249.5℃,利用这一细微的沸点差异,就可以在自然界的氢中提取大约七千分之一浓度的氘。当然,现实中是不可能实现像游戏里那样液氢转转转效果的。

石油化工与塑料

      上一节提到了现实中的原油也是通过分馏来产出第一步的各种产物。在《戴森球计划》的游戏设定中,原油通过精炼可以获得精炼油与氢,通过裂解还能获得石墨。精炼油通过化工厂,可以生产塑料以及硫酸,有机晶体也可以通过化工厂合成。在现实里并不存在“有机晶体”这种奇怪的东西,不过,石油是各种化工工业最源头的材料,这一点倒是有所还原。

形形色色的各类塑料制品(由ImGz - 自己的作品,CC BY-SA 3.0,https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3781690)

      撒在农田里的化肥,穿在身上的涤纶衣物,汽车赖以活动的燃油,还有你抓着的手机或者鼠标的塑料壳……石油化工的产物遍布在我们生活中的方方面面。从油井获取的原油通过分馏以后,再经过一系列化学过程,可以得到各类烷烃,烯烃,芳香烃,然后进入下一步的化工生产。

      塑料是石油化工产业非常重要的制品,种类包括聚丙烯,聚苯乙烯,聚对苯二甲酸乙二酯,聚氯乙烯,聚酯,聚碳酸酯,聚乙烯等。而像是各类清洁剂,润滑油,还有农业上需要用到的化肥,都是石油工业的产品。

  石油被称为现代工业的血液并不仅仅因为可以拿来烧,如果没有石油,我们现代生活有一大半的产品都会不复存在。考虑到地球石油储量并非无限,直接使用生物质来生产塑料的研究也在慢慢变得热门起来,但目前而言成本还是远远高于使用石油。

图5 油井(来源:中国石油报)

      《戴森球计划》中的原油在无论什么资源丰度设定下都是无限的,只有产出速度的区别。与现实世界大相径庭。不过,有一点设定倒是贴切现实——只有宜居的,或者曾经宜居的星球才能产生原油。因为石油是古代生物质在地层中经过了漫长的转化,反复压缩和加热而形成的,海洋中的藻类等浮游生物是形成石油的主力。这一成因也决定了石油只存在于浅层地表,并且储量相当有限,是一种化石资源。

氕、氘、氚与可控核聚变

      氢,宇宙最丰富的元素,同时也是最简单的元素。地球上的氢,大多数是与氧结合形成水,或是与碳结合成为形形色色的有机物质。氢的结构太简单了,原子核就是单独存在的一颗质子,外边再一个电子环绕着,是最最低配的原子,而如果是失去了外层电子的氢离子,那直接就是单颗质子,有着与一般物质原子完全不同的特性。

  不过,氢也有同位素,自然界中存在的分别是原子核包括一个质子与一个中子的氘(dāo),以及包括一个质子与两个中子的氚(chuān),单独一个质子作为原子核的氢被称为氕(piē)。

图6 氢的同位素(由derivative work: Uvainio (talk)Hydrogen_Deuterium_Tritium_Nuclei_Schmatic-ja.svg: Dirk Hünniger, translated by user:was a bee - Hydrogen_Deuterium_Tritium_Nuclei_Schmatic-ja.svg,CC BY-SA 3.0,https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4530502)


      为什么游戏里的核电站需要用到重氢,也就是氢的同位素氘来作为核反应的燃料呢?首先,让我们来学习一下有关于核聚变的知识。

      对于原子量较低的原子,当其原子量增加时,原子核质量并非与原子量同比增加。由质子和中子组成的原子核,其静止质量并不等同于组成其的所有质子与中子的质量总和。一个氦原子核(两个质子与两个中子)的质量,比起两个氘原子核(一个质子和一个中子)的质量轻一点点。

  根据著名的质能方程式E=Mc^2,用氢聚变成氦,会释放出相当大的能量。令太阳熊熊燃烧的关键,就是氢核聚变。具体而言,是通过质子-质子链反应和碳氮氧循环,将氢元素聚变为氦元素。

图7 质子-质子链反应图示(由Sarang - 自己的作品,公有领域,https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=51118538)


      可是,无论是质子-质子链反应还是碳氮氧循环,都依赖于太阳核心处的极端高温与高压,在人工环境下,极端高温还相对容易实现,但想要创造出太阳核心的高压,是目前技术条件根本不可能实现的。想要创造出可控的核聚变过程获取能量,无法直接复制太阳的氢聚变过程,而是只能退而求其次,采用别的聚变路径。

      目前比较热门的研究方向,一个是实现难度最低的氘-氚聚变,氘与氚聚变生成一个氦与一个中子,但因为氚在自然界并不存在,人工制备的成本约为一亿美元一千克,这一技术路径的实用价值相当有限。即使氚可以通过中子与锂的核反应再制备以循环利用,在核反应过程中也会产生流失。

      另一个比较热门的方向则是氘-氘聚变,生成氦-3和一个中子。尽管相比起氘-氚聚变,氘-氘聚变需要高得多的点火能量,但因为氘在自然界丰度很高,从海水中提取重水的话,目前成本也只需要大约七千人民币一千克。

  此外,利用月球上可能较为丰富的氦-3与氘进行氘-氦3聚变,因为不会产生额外中子,也是常常被拿来讨论的核聚变途径。在《戴森球计划》中,我们可以看到用于核电站的燃料是氘燃料电池,说明这个核电站就是用氘-氘聚变这一公式的。

图8 中国聚变工程试验堆(来源:https://www.siffer.science/Pages/DEVICES/CFETR.aspx)


      目前在现实中,可控核聚变依然面临着相当多的技术难题,诸如多余中子流对第一壁材料的破坏,托卡马克装置对等离子磁流体的非线性约束,核燃料注入的方法,氚循环自持的流失问题等等,但是,考虑到可控核聚变实现以后的巨大经济效益,以及相比于燃煤与燃油发电的巨大环保优势,世界各国一直在致力于研究这一技术,也是最被寄予厚望的,有很强现实可能性的未来主要能源。

工质火箭、太空电梯与电磁弹射入轨

      虽然伊卡洛斯是个几乎无视天体物理学的变态,但在《戴森球计划》当中存在着三种现实中也有可能性的航天手段,分别是火箭、太空电梯与电磁弹射器。其中,星际物流塔是用太空电梯将物资运往近轨道的运输船,太阳帆是用电磁弹射器打上去的,戴森壳组件则是用火箭运输到位。至于像伊卡洛斯那样力大砖飞,轻松穿越黑洞引力场的航天手段,就……总之是很有想象力吧。

图9 最后一枚土星5号(来源:http://www.hq.nasa.gov/alsj/a17/images17.html)

      目前,人类用于航天探索的器具全都是火箭。它可以通过向后抛射高速物质来获得给航天器的向前进速度。原理除了化学能,还可以是抛射离子,或者是核聚变放能。

      不过,在更详细地介绍火箭之前,估计首先要解释的是有关于航天,与在地面上行走,或者与在大气层中飞行的航空,有什么关键区别。

      尽管有着许多早期探索,不过,用火箭技术探索宇宙空间的,符合科学方法的研究始于俄国教师康斯坦丁·埃杜阿尔多维奇·齐奥尔科夫斯基在1903的一篇理论论文《利用反作用力设施探索宇宙空间》。不过,他的工作很大程度上在当时被埋没了。而另一个先驱者,美国发明家罗伯特·哈金斯·戈达德,不仅实际制造了一些火箭,还进一步论述了用火箭探索宇宙的可能性。

  不过,在当时,大众媒体几乎是以嘲笑的态度看待他的努力。认为在真空的太空当中,因为无法依靠“作用力与反作用力”获得向前进的速度,太空探索其实是无稽之谈。

      当然,在今天的我们,已经见识过飞往月球,飞往火星的壮举,也知道近地轨道有无数卫星在环绕,并不会对太空探索的可能性有什么怀疑。不过,在那个年代,“太空探索是不可能的”,几乎是大众广泛认知的常识,只有真正了解物理学的人才能理解用火箭在宇宙中航行的可能性。

      人在地面上行走,脚踩着地面,给大地施加向后的推力,被大地施加向前的反作用力而前进;轮船在海里航行,螺旋桨将水流往身后推动,从而让轮船向前行进;飞机在空中飞行,将空气从前边的进气口吸入,从后方喷出,于是能在天空中四下翻飞。但太空是真空,既不能脚踏实地,也没有可以划动的水,又没有能够吸入的空气,要怎么在这样的环境中航行呢?

      答案就是,向后抛射高速物质。对于宏观物体来说,应用动量守恒的原理可以很容易理解这一点。你往一个方向喷射出的物质的动量,就等于你的剩余部分往相反方向获得的动量。这就是有工质的火箭的原理。化学能火箭会将燃料与氧化剂放一起燃烧,然后让急剧膨胀的气体往身后喷射,从而能够向前进发。离子发动机则是用电场,将电离后的气体往身后高速喷出,因为可以获得更高的喷射速度,且电场控制的矢量范围更大,离子发动机可以取得比化学能火箭发动机高得多的比冲,已经应用在深空卫星的变轨动力当中。

  而应用核聚变作为能源的火箭还在研究探讨的过程中,与化学能火箭的主要区别就是利用聚变放能以推进。此外,还有在身后不断引爆核弹来推进的核脉冲火箭,同样仅仅是个构想,目前还没有在技术上实现的可能性,而且对环境的破坏也太过头了。

图10 罗伯特·戈达德的火箭(由Esther C. Goddard - Great Images in NASA,公有领域,https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=56731)

      固然,我们现在已经利用火箭进行了非常多的太空探索,卫星对于现代生活也带来了很多贡献,但火箭的固有缺陷也相当明显。一枚火箭的绝大多数质量并非最终入轨的航天器,而是让航天器脱离地球大气层,获得足够速度进入轨道的推进剂。

  而即使离子发动机在未来发展进步,能够获得跟现在化学能火箭发动机相当的推力,我们依然需要大量用于抛射的工质来驱动航天器航行。而科幻构想中的无工质发动机,虽然近年也有一些不太有说服力的研究(参见),但即使真的能实现,应用到现实中也是非常超出想象的情景。那么,有没有其他进入太空的手段呢?

      让我们来再仔细观察一下火箭上升到宇宙的过程。以长征五号为例,长征五号有800多吨的总重量,其中超过90%重量是推进剂。在起飞-转向-抛开助推器-整流罩脱离-一级火箭脱离-二级火箭耗尽,星箭分离-航天器进入预定轨道。最终能送入轨道的航天器,近地轨道最多25吨,同步轨道最多14吨,相比于火箭总重简直低得难以直视。绝大部分质量都耗费在将航天器从地面送进轨道的过程中了。

      对于不熟悉航天科技的读者,还是要细致讲解一下航天器究竟是如何停留在太空轨道上的。和我们生活在地面上的常识不同,虽然在轨道上航行速度非常快,但航天器绝大部分时候都不需要启动发动机。它们事实上处于——自由落体状态。也就相当于你将一颗苹果扔出去,它会在空中划出一道弧线,然后落到地上。在这个运动过程中就接近于自由落体状态(毕竟还有空气阻力)。在轨道上航行的航天器也一样,它实际上是在不断下坠当中。那么,为什么它却一直没有下坠到地面呢?

  这个问题,让我们回到大地上思考。你手上拿着一个棒球,把它扔出去,它会落在远处,你投掷的力度越大,它就会落到越远的地方。如果这个力量不断变大会怎么样呢?地球是个球体,而不是无穷大的平面。当你投球的力量足够大,这个球就会一直往前飞,即使往下坠落,坠落的距离恰好等于地球圆弧弯下去的距离。于是,这个球绕着地球一圈,飞回了你的手上。这样的比喻有些理想化,因为在地球的浓密大气层当中你不可能真的实现这样的壮举。但是,如果是在接近地面,却已经离开大气层的近地轨道高度。

  只要这个“往前抛”的速度够快,棒球是真的可以绕过地球一圈以后回到你手上的。这个速度的下限就是所谓“第一宇宙速度”。如果速度比这高一些,轨道会变成一个椭圆轨道,但一样可以绕地球一圈以后回到原点。

      聪明的你一定已经发现了,让航天器在轨道上维持运行,需要的燃料和工质很少。实际上都只是为了维持轨道或者变轨才消耗。大头都在将航天器运往轨道的路上。为了突破地球的重力与浓厚的大气层,我们要建造数十倍于航天器重量的火箭,才能将载体送往太空。那么,是不是可以找到另一种入轨的方法,即使在太空中航行依然需要依靠工质驱动,但在入轨这一步能减少一些消耗呢?

      目前比较热门的讨论就集中在以下几种:可重复利用的火箭,空中发射场,太空电梯与电磁弹射器。其中,可重复利用的火箭是时下已经正在试验和运用当中的技术,不再赘述;空中发射场是指,将火箭先用飞机或者飞艇等大气层内的飞行载具运往浓密大气的最顶层,在那里开始起飞会节省很多火箭燃料。

      太空电梯则是一个被无数科幻作品描述过的建筑。制造一座塔,从地面一直通往太空,这样把货物用电梯运到太空,就可以很容易进入轨道了。可是,目前人类建造过的建筑物,最高也就八百多米,哪怕算上正在施工的建筑物,刚刚超过一千米,也已经到了现在人类技术的极限。建造一个可以直接通往太空的塔?考虑到一般认为是大气层与太空的分界线——卡门线高度在100千米,目前人类的技术似乎还远远不可能做到。《戴森球计划》当中的星际物流塔,就是一种太空电梯。虽然咋一看好像不是很高,但其实在设定上它已经探出了星球大气层,可以把地表的货物直接运往近地轨道,然后让物流运输船在不同行星之间传递货物。

图11 一种太空电梯的设计思路(由Booyabazooka - Based on the raster Image:Space elevator structural diagram.pngEarth svg from Image:Geographylogo.svg,CC BY-SA 3.0,https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=33059559)

      不过,即使依然是科幻,也有人给太空电梯概念提出了更具备可行性的解决思路:静止力平衡法。既然我们没办法制造出能承受通天塔那巨大重力的材料,那就把重力消除掉吧!地球本身在自转着,而在地球同步轨道的高度,轨道环绕速度恰好就是地球自转的角速度,在这个高度上运作的航天器,对于地球而言就像是定在了那里。

  那么,从这样高度往下垂一条缆绳,另一边再放上足够的配重,不就恰好能够相当于无重力一般把缆绳垂到地面上了吗?尽管这一解决方案需要的缆绳依然相当可怕,但已经不是遥不可及的程度。目前热门的明星材料碳纳米管,就有可能成为未来这种太空电梯的缆绳材料。(参考

      而最令我惊奇的,是《戴森球计划》当中用于发射太阳帆的电磁弹射器。有的科幻作品会把类似结构称为“质量投射器”。这也是个历史相当悠久的科幻概念。实际上,它的提出甚至比火箭本身还早一些。就像前文提到的比喻,如果你用极高的速度投掷一颗棒球会怎么样?历史上,在切实研究出用火箭航天的技术之前,也有人想过,能不能建造一门超级大炮,把航天器用大炮打出去。不过,考虑到这样的大炮根本造不出来,也不存在什么航天器能承受那么可怕的瞬间加速度,所以大炮入轨方案完全不可行。

  但是,如果是电磁炮呢?把加速过程拉长一点,用一条足够长的电磁弹射轨道,把物体一口气发射到太空之中,似乎就解决了大炮的加速度太大的问题。同时,因为是用电磁弹射入轨,也就无需一般火箭那过多的燃料。

图12 建设在月球上的质量投射器(公有领域, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=627437)

      在地球上建造电磁弹射器把物体射入太空,会遭遇一个严重的技术难题,那就是大气层。足以入轨的速度,在大气层的飞行将会遇到极大的空气阻力。因为与大气摩擦,以及前端压缩大气产生的热量,也可能导致航天器损坏。所以,目前对于电磁弹射入轨的研究和科幻作品更多地会描绘在诸如月球之类无大气层的天体上建造,将采集的矿物发射到拉格朗日点以建造像是太空城市之类的巨型建筑物。

  在这种情况下,电磁弹射的优点就相当大了,在入轨阶段无需消耗工质,同时被弹射物体也可以是原材料,而不一定是完整的航天器。未来如果在月球上建造了采矿基地,通过电磁弹射的方法直接发射回地球,在近地轨道捕获再带回地表,也是一种利用思路。

可燃冰

      当《戴森球计划》游戏进行到中期时,玩家会发现使用“可燃冰”来制取石墨烯,比起之前的制取方法要轻松简单得多。游戏里可以在冰巨星或者恒星系边缘的冰冻星球上找到可燃冰并加以开发利用。现实中也存在着可燃冰这种东西,虽然它的实际作用和游戏里头大相径庭。

图13 可燃冰(由Wusel007 - 自己的作品,CC BY-SA 3.0,https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8277125)

      可燃冰,就其名字来看,是一种可以燃烧的冰。当然这样的描述很没营养,实际上,可燃冰的成分还就真的和冰类似,里面有着大量的水分子。而在水分子之间,则包络着甲烷。可燃冰是一种具有很高能量密度的燃料,在地球上的近海海床中,发现有大量可燃冰矿藏,可能成为未来一段时间的能源主力。

  但可燃冰中的甲烷逸散导致温室效应增强的情况,也推动了气候变化的进一步发展。如何环保,安全地开采可燃冰并加以使用,是现在很热门的研究课题。

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