从星辰迈向无垠，《戴森球计划》科幻概念指南

作者阵亡者不杀编辑苏活 2021-02-20 09:48:06

玩《戴森球计划》，学点航天知识。

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。

　　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。

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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

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。

　　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。