老和山下的小学僧：带着太阳流浪–戴森球|2020-3-27
今天又是一个高端话题。 带来这个话题的，是一位2020年2月28日刚刚去世的物理学家，弗里曼·戴森，享年96岁。 超大号太阳能电池 95%的人类能源，归根结底来自太阳，不管是风力水力人力畜力，还是煤炭石油天然气。 风，太阳照射不均匀导致空气流动。水，阳光使水蒸发形成河流。人力畜力，植物通过光合作用收集太阳能，再转移到动物身上。化石燃料，尽管产生机理尚有些许争议，但依主流观点看，能量
| 带来这个话题的，是一位2020年2月28日刚刚去世的物理学家，弗里曼·戴森，享年96岁。 超大号太阳能电池 95%的人类能源，归根结底来自太阳，不管是风力水力人力畜力，还是煤炭石油天然气。风，太阳照射不均匀导致空气流动。水，阳光使水蒸发形成河流。人力畜力，植物通过光合作用收集太阳能，再转移到动物身上。化石燃料，尽管产生机理尚有些许争议，但依主流观点看，能量源头还是太阳。地球就是一颗大号太阳能电池，充电46亿年，挥霍300年，如今还剩多少电量？能源与文明等级 2000年，从私家车保有量看，估摸约有12亿人过着空调汽车的现代化生活，其中西方发达国家9亿，中国1亿，第三世界2亿。这一年，全球消耗了35亿吨石油，46亿吨煤炭，2.4万亿立方天然气，折合110亿吨标准煤。2019年，全球消耗50亿吨石油，80亿吨煤炭，4万亿立方天然气，折合180亿吨标准煤。这180亿吨煤让20亿地球人过上了现代化生活。同理，假设我们让剩下55亿人也过上同样的生活，则每年需要675亿吨标准煤。经济一旦发达了，人口通常就不增长了，依这个逻辑，全球共同富裕后人口按100亿计，则每年需要900亿吨标准煤。目前全球已探明可采储量，石油2300亿吨，煤炭1万亿吨，天然气205万亿立方，一共折合1.3万亿吨标准煤。如果是地球人民一起奔小康，只够奔15年！难怪大伙要打成一锅粥，先起来那十亿人死活要摁着咱们这十亿人。但事情其实没这么悲观，几十年前就有人喊石油只够用几十年了，但几十年后新探明的石油储量越用越多，到今天一算，还能再用几十年。采石油就和挤牙膏似的，几十年后还有几十年，到底有完没完？据砖家估计，地球上化石燃料不管有没有探明、能不能开采，一口价：10万亿吨石油，10万亿吨煤炭，1000万亿立方天然气，折合22.8万亿吨标准煤。这只够全人类小康250年，这点时间还不够咱们决定要不要建对撞机呢！必须得上新能源！水力风力来源不稳定，万一来个干旱天，大家都得吃干饭，因此不可能做主力，还是直接上可燃冰吧。可燃冰也属于化石燃料，深埋大洋下，别说开采了，想探明储量都没那么容易。美国地质调查局折腾了几十年，现在比较流行的说法是2.1万万亿立方，折合26万亿吨标准煤。足够100亿地球人民小康290年，加上前面撑的250年，熬到三体人进攻地球绰绰有余。化石燃料在能源消耗中占比一直稳定在85%左右，绝对的主力。但化石燃料毕竟只是太阳指甲缝里漏到地球的一些光，攒了几十亿年，只够人类文明卯足劲往前奔500年。顺带说一下，有研究认为，化石燃料可能来源于原始地球的甲烷，这和太阳的关系就不大了，但主流观点还是喜欢生物遗骸变石油的故事。砖家都搞不清楚，咱外行就不叽歪了，还是翻翻地球自己的家当吧。本僧保证下面几样家当，实打实是地球自己攒的！地球的家当 核能，特指铀矿，是别的恒星爆炸剩下的残渣，和太阳没一毛钱关系。已探明的铀储量不到500万吨，用中子把铀238轰成钚239，折合14万亿吨标准煤，远远超过已探明的化石燃料1.3万亿吨。现在知道某大国为啥削尖脑袋钻核能了吧？惊喜的是，地球妈妈攒的不止这么点，仅仅地壳里就有130万亿吨铀，只是过于分散没法收集。不过不用慌，砖家说可开采的铀矿怎么着也应该有3500万吨，折合100万亿吨标准煤，可奔小康1000年，足足是化石燃料的2倍。万一到时候物理学被封死，找不到新能源，咱还能从地球妈妈的家当里翻出宝贝，继续奔小康。地热能，80%来源于地球自身放射性元素衰变所释放的能量，没太阳什么事。因为地球到处有微量的放射性元素(如钾40)，这些元素不停衰变释放热量，所以地球就像是不停发热的暖宝宝，妥妥一个低功率版的核反应堆。整颗地球的发热功率为442亿千瓦，相当于现在人类文明总功率的2倍。可喜的是，暖宝宝发热这么多年，可没浪费，都攒着呢！凭直觉，你认为地球平均温度有多少？外层地壳，平均温度14度，薄薄一层仅占地球质量0.4%。下一层地幔，平均温度估摸1100度，占地球质量68%。最里面地核，平均温度估摸5000度，占地球质量31.5%。剩下的大气层不计。没想到吧？地球其实是一颗温度高达两千多度的大球。要知道，核反应堆的最高温度也就一千多度，这尼玛就是一颗现成的核反应堆啊！从地幔地核的成分看，比热按1计算，整颗地球蕴含的热量相当于5万亿亿吨标准煤。但是，根据热力学第二定律，你没法把所有热量都用来做功，而且你也不好意思把地球热量抽干了变成一颗冰球吧？咱矜持点，砖家评估，当前可利用的地热资源只有总量的十万分之一，折合5000万亿吨标准煤，可奔小康5.5万年。说个题外话，地球内部除了最里面的内地核，大部分是可流动的液体或熔融状态，也就是说，什么亚欧板块、美洲板块、太平洋板块之类的，都是浮在液体上的一层薄片。如果要推动地球，必须要把地热引到外界，或者往地幔里灌注特殊材料，使整个地球内部坚如磐石才行。不然发动机会把薄薄的大陆板块慢慢摁到岩浆里。5.5万年，虽然比原先几千年多了一个数量级，但也不算富裕，咱继续。潮汐由太阳和月球引力引起，可以简单理解为月球吸着海水绕圈跑，当月球引力和太阳引力重叠时就是大潮，反之就是小潮。很多人以为潮汐能不消耗能量，这显然违背了能量守恒定律，潮汐能本质上是地球自转动能和月球势能。潮汐能最终会因为摩擦变成热量而消耗，导致地球自转变慢以及月球不断远离地球。潮汐能每天定量定点供应，极为不便，但却提供了一个清奇的思路：可以利用地球自转的动能发电，这算是地球妈妈最后留给我们的能量了。这笔压箱底的家当非常惊人！这么说吧，世界上所有的石油煤炭天然气可燃冰，100%转化成能量来阻止地球自转，那么，地球自转周期仅仅只是减少2毫秒。地球自转动能有2.57×10^29J，折合900亿亿吨标准煤，足够人类挥霍1亿年。如果1亿年还嫌少的话，地球绕着太阳转的动能也不是不能考虑，公转动能是自转动能的1万倍，稍微用一点也不至于让地球掉太阳上。开个玩笑，如果人类沦落到对地球动能、月球动能、火星动能敲骨吸髓，那还不如回到原始社会了。其实，不管是恒星还是行星，动能都来自于早期的引力势能，比起化石能源算得上巨无霸，但在真正的土豪面前仍然是小儿科。真正的能量土豪 按照当前的物理理论和宇宙模型，早期宇宙里飘荡的绝大部分物质是氢，氢原子抱团组成了恒星，恒星内部引力导致氢聚变，聚变产生各种元素和能量，元素和能量演绎出丰富多彩的世界，于是就有了我们。对天体演化有兴趣的盆友，请移步前文《天体演化：黑洞修炼秘籍》，红巨星、白矮星、中子星、超新星……一次搞清楚。也就是说，能量来源于氢聚变，氢才是背后的大土豪。所以，地球上真正算得着的能源，是地壳中占比0.76%的氢。幸运的是，人类掌握聚变技术永远还需50年，因此地球上的氢几乎原封未动，咱们赶紧盘盘帐。现在搞聚变都是瞄着最容易的氘氚聚变，万一搞成了，大海里有45万亿吨氘，足够我们奔小康50亿年。50亿年也不算啥，真要急眼了，氢氢聚变也不是不可以，严谨点叫氕氕聚变。虽然技术路线不存在，但理论还是在的，搞点反物质把氕催化一下，弄出中子就能聚变形成氦核。别听到反物质就吓傻了，质子变中子叫逆β衰变，已经被实验观测到了。这能把千分之七的质量转变成能量，终于，我们可以用到那个著名的质能方程了：E=MC^2不过地球上四分之三的氢在水里，不能把水折腾没了，我们用剩余那四分之一做聚变，产生的能量相当于N吨标准煤，足够挥霍1亿亿年。提个醒，宇宙诞生才多少年？即便把氢都折腾成氦，氦还能继续折腾成碳，碳还能继续折腾成氧……后面还有很多个亿亿年。回过头看，人类诞生200万年，不过是消耗了化石能源的一个零头，化石能源不过是核能地热能的一个零头，核能地热能不过是聚变能的零头的零头……也就是说，人类文明连地球能源的零头的零头的零头的零头，都尚未完全发掘，科技水平有多高，各位心里有数了吧。太阳系的扛把子 感叹一下，从太阳系的视野来看，尽管人类胡吃海喝数百年，消耗的能源其实微乎其微。如果按当前的生活水平过日子，光是地球上的能源就可以挥霍到天荒地老。但是，聚变搞定了，肯定要纵横太阳系，人均能耗必然蹭蹭涨。根据上篇《霍尔推进器》计算，月球出差相当于北京出差，按这种生活节奏，人均能耗少说增加1万倍，再加上星际探索等等，原本1亿亿年的储量，假设缩减到1亿年。好了，1亿年后，物理学依然死亡，能源依然靠核聚变，怎么办？不用担心！木星和土星，质量加起来是地球的413倍，而且75%以上都是氢。地球妈妈那点能源，到这儿都不好意思说零头了，只能算误差。木星土星的氢含量是地球的1000万倍，就算物理学已死，也足够人类再挥霍NN年了，地球如果真要流浪，千万记得把这俩燃料灌带上。太阳系的扛把子当然是太阳，别说木星土星了，太阳系里所有行星卫星彗星陨石全加起来，在太阳公公面前都只能算误差。太阳占据了整个太阳系质量的99.86%，而且，全是燃料。换句话说，整个太阳系的能源几乎都在太阳上，地球那点家当不知道排在小数点后多少位！太阳对外辐射1秒钟的能量，就足够全球人民小康15万年，其中只有22亿分之一照到了地球，再其中的万分之一被人类利用，实在太浪费了！于是，我们很难不把主意打到太阳这个大号燃料罐上，其中的巅峰人物就是弗里曼·戴森，于1960年提出的戴森球理论。 戴森球 在卡尔达舍夫文明等级提出之前，戴森就提出了能源与文明等级的思想。他认为，就地球上那点破能源，不足以支撑人类文明发展到高级阶段。一个高度发达的文明，必然是高能耗的文明，免不了要打恒星的主意。太阳是一个实打实的聚变反应堆，造一个大壳把太阳围起来，就是大号的聚变发电机，这是戴森球的基本思想。但是给太阳公公加外套可不是容易的事，力学结构不是现有理论可以解决的。于是，戴森球就演变成了戴森云， 不一定把太阳裹那么紧，发射一堆能量收集器，围绕着太阳转也行。把戴森云整合成环状，就成了戴森环，还有戴森群等各种版本。如何建造戴森球 一是光伏发电，直接用太阳能面板把光能转化成电能，大家很熟悉了。二是光热发电，用一堆镜子把太阳光反射到一起烧开水，然后用蒸汽推动电机发电。这个一般小盆友都没听过，但实际上已经有一些应用了。本僧掐指一算，显然后者更合适。咱也不要贪心，只收集1%的阳光。在地球附近弄到1%的阳光，面积要有2200万个地球那么大，太费劲！咱离太阳近点。早在1976年，美国太阳神2号就飞到了距太阳4343万公里的地方，2020年1月份，美国帕克太阳探测器将记录刷到了1867万公里，面向太阳一侧的温度达到了612度，帕克号按计划将在2024年12月飞近到616万公里，温度预计达到1400度。 今天的飞行器已经有能力靠近到太阳1000万公里以内了，考虑到温度、太阳风等因素，咱们将戴森球位置设定在距太阳1000万公里处。 水星，离太阳最近的行星，由大约70%的金属和30%的硅酸盐组成，这些材料非常适合做反射镜。激光武器里的反射镜成分就是二氧化硅和金属，对某些波段的反射率可以达到99.9%，耐高温性能也是妥妥的。假设每个反射镜发射到太空后展开面积1平方公里，加上通信、调姿发动机等必要部件，总重5000吨。反射1%的太阳光，需要12.6万亿个反射镜，合计6.3亿亿吨原料，不到水星质量的0.05%。水星大气层稀薄，只要在地面建造大型电磁加速装置，就可以把反射镜加速到第二宇宙速度，直接发射到太空，很节能的。所以，这本帐可以这么算：把0.05%的水星融化制成反射镜，并发射到太空，按水星比热1和第二宇宙速度4.4km/s估算，需要7*10^26J的能量，足够全球小康26.5万年。水星的太阳辐射功率每平米9000W，未来光热发电效率按50%计，则一个反射镜就是45亿瓦。制造和发射一个反射镜的能耗是50万亿焦，相当于反射镜3小时产生的能量，再加上开采、提炼、运输、损耗等，按5小时计。向水星发射一组自动化生产设备，这些设备可以利用反射镜的能量和水星的物质自我组装，像病毒一样繁殖。生产设备数量就会成指数增长，只需26轮，就可以在水星表面每平方公里建一座工厂，共7500万座工厂。每座工厂制造一个反射镜需要5小时，则完成整个工程需要100年。要是等不及，还可以在太空建工厂，几十年内肯定妥。控制反射镜方向，就可以把1%的太阳辐射投送到指定位置，比如火星，于是，我们就有足够的能量把火星改造成宇宙飞船。同理，把剩余的水星全都拆成反射镜，修建100个类似的反射阵列，就可以把太阳能量集中投送到太阳系各个地方，供人类修建各种超大型太空设施。太阳亮度大约每11亿年增加10%，这10%会让地球气温高到无法维持液态水的存在，地球生命都得烤成肉干。我们必须在10亿内解决这一问题，其中的备选方案，就是在地球和太阳之间修建戴森云，将多余的太阳辐射投送到其他地方，避免地球被烧沸腾。看起来形势还不错，只要守着太阳这颗无边无际的能源，地球上的危机都不叫事儿。但是，如果物理学始终无法解开空间密码，一旦太阳系遭遇致命危机，我们怕是只能带着太阳流浪了。700光年外的猎户座α星，已经步入生命末期，即将在几百万年内发生超新星爆炸，到时侯会清空几十光年内所有生命，被它的伽马射线击中，即便在700光年外，不死也得脱层皮。幸运的是，猎户座α星自转轴与太阳系有20度的夹角，这个夹角使得地球与伽马射线爆擦肩而过，让我们还有闲心看个热闹。可是，躲得过初一躲不过十五，150光年外的飞马座IKB星，也是蠢蠢欲动，8000光年外的人马座WR104星，正对着太阳系虎视眈眈……终极大战可能来自40亿年后，咱们的银河系带着3000亿颗恒星，撞上了，拥有10000亿颗恒星的仙女座星系。假设那会还有人类文明的话，如果我们不能躲到更高的空间维度里，就得推着自己的恒星，在一片混乱中，尽量避免与其他恒星相撞。这不是科幻作家拍大腿的产物，而是正经发表在2019年12月《宇航学报》上的研究成果。美国天体物理学家马修·卡普兰提出了一种可以推动恒星的发动机模型，称为“卡普兰推进器”，依靠现有的物理理论就能完成。第二，利用戴森环反射阳光到太阳某一点，使其加热到极高温度，从而掀起大量氢和氦。 第三，收集氢和氦，注入到聚变发动机内，变成两束高速等离子体喷射出去。 第四，其中一束向后喷射，作为推动太阳的动力，另一束喷向太阳，维持引擎和太阳的距离，防止引擎坠落太阳。 根据卡普兰的计算，这个引擎每秒燃烧数百万吨物质，可以在100万年内，将太阳系整体移动50光年，足够逃脱超新星伽马爆的击杀或恒星相撞。要知道，对超新星爆炸、恒星相撞之类的预警时间达到上百万年并不是很难的事，所以卡普兰推进器能够应付大多数情况。更妙的是，这种引擎从太阳薅了大量物质，反而可以延长太阳寿命，因为质量小的恒星燃烧更慢，太阳系保持宜居状态的时间会多出几十亿年。几十亿年后，我们可以换一颗太阳，继续推着恒星走出银河系，穿越十大星系，游历整个宇宙！最近，天文学家发现1480光年外的天鹅座KIC8462852恒星的亮度在很短时间内快速下降，像是被什么东西遮住了，目前还没有靠谱的解释。于是一群好事之徒就认为，是那边的智慧文明修建了戴森球，并把这类恒星称之为“戴森球恒星”，目前人类一共发现了2颗所谓的戴森球恒星。地球上无数望远镜对着这颗恒星，希望能找到一个合理的解释。好在地球文明连化石燃料都没折腾明白，很难对1480光年外有啥想法。可他们要是被三体文明盯上，那就有意思了。戴森球很可能会让太阳成为宇宙里的可疑恒星，想捞点能源可真不容易。终极谜底 人们对于科学有一种近乎宗教般的迷信，总觉得未来科技可以解决任何问题，比如，超光速飞行，空间跳跃，时光倒流，一颗小电池提供无限能源……但是，我们不得不做好另一方面的思想准备，万一科学是有边界的，有一些定律无论如何不可能打破，比如，动量守恒，质能守恒，瞬间移动，凭空变出一辆车……这也许意味着，飞行永远只能靠扔东西，能源永远只能靠烧开水，宇宙间所有文明都会被死死限制在物理规则内。科学，到底是不是无所不能？咱们这一代怕是见不到谜底了，真的好想向天再借五百年啊！ |
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