神創與人造的有限:戴森球的古典原型


3樓貓 發佈時間:2021-12-07 19:38:40 作者:幻藍 Language

冰山上的來客

國產獨立遊戲《戴森球計劃》上市後,一時風靡,它展現出了令人驚歎的想象力,也展示了對於遊戲這個最年輕的文藝門類來說,背後有著多麼廣大的知識與靈感的寶庫:科學理論、哲學、傳統藝術、建築、文學、心理學等等,近乎無止無盡。

正如依託於埃舍爾空間的《紀念碑谷》,背靠榮格心理學的《女神異聞錄5》,都成為了遊戲史上的不朽名作。《戴森球計劃》這個序列中最新的一顆珠玉,它的背後,是名為「戴森球」的人造天體理論。

這再一次證實了,遊戲委實是文化冰山水面之上最上的那顆尖峰,人類歷史上所有的文化瑰寶在下面,承託著一切。

戴森球理論

美籍英裔數學物理學家、數學家、作家弗里曼·戴森(Freeman Dyson,1923-2020)是一位宇宙學的通才,他曾擔任過愛因斯坦的副手,但不侷限於此,而是在數學、粒子物理、固態物理、核子工程、生命科學、天文學領域都頗有建樹。

這位在普林斯頓高等研究院就職40年的大師,一生中最大的痴迷,即是對「未知」與「無限」的嚮往。飛翔的想象力與科學的嚴謹,非常神奇地同時體現在同一位天才身上,這一切,都指向未知的茫茫宇宙和無限複雜的生命。

1960年,戴森提出的一種天文學理論,即「戴森球」。這是一個設想中的巨大的球狀結構,直徑約2億km,將整個太陽包裹在其內。它由環繞太陽的衛星所構成,完全包圍恆星並且獲得其絕大多數或全部的能量輸出。

戴森認為,如果人類的文明想要不斷的上升,終有一日要構建戴森球。因為諸如地球這樣的行星,本身蘊藏的能源非常有限,主要來自圍繞的恆星的輻射。恆星的輻射是一個恆星系的絕大部分能量來源。但以太陽系為例,所有的行星接受到的太陽輻射能量,只佔輻射出的總能量的十億分之一,剩下的能量就全都白白耗散在宇宙空間了。

因此,當文明發展到一定程度,包括要支持對遙遠宇宙的探索,必然對能量的需求會幾何量級的增長。因此,提高對恆星輻射的接受和利用,就是必然的需求。因此,需要將太陽用一個巨大的球狀結構包圍起來,使得太陽的大部分輻射能量被截獲。這個球狀結構,就是「戴森球」。

神創與人造的有限:戴森球的古典原型-第1張

圍繞太陽的戴森球假想圖

在戴森本人的設想中,太陽系的戴森球,直徑大約是2億km。它並不是一個完整、連續、緻密的人工物質球體,一個太陽系的“球殼”,而是由數量巨大的、密集的環繞太陽的獨立結構組成。這些獨立結構,主要是太陽能收衛星和空間定居點。這有點像大氣層中的雲,遠看是覆蓋著地面上很大比例的部分,但其內部組成仍然是比較稀疏的。因此這一個結構,也被稱為「戴森雲」。

另一種戴森球的實現形式,叫做「戴森泡」。不同於戴森球上的各成員是通過軌道環繞的方式,而是通過巨大的承受光壓的太陽帆來抵消太陽的引力,各個結構對於太陽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,此類靜止衛星可以自由調整其與中心恆星的距離。

還有一類方式,主要出現在以戴森球為題材的科幻小說中,即「戴森殼」。它是一個堅固的環繞太陽的物質殼體,可以攔截太陽所有的能量輸出,從而改變太陽的光線發射。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。如果太陽系中建造一個半徑為1天文單位(地球和太陽之間的距離)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,大約是地球表面積的5.5億倍。

所有這些戴森球的實現,並非僅限於太陽系。在任何一個以恆星為中心的恆星-行星體系上,理論上都可以搭建戴森球。戴森本人認為,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”。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,因此該恆星系統可能輻射出不合常規的光譜類型,並且理論上可以被探測到。因此,這一理論也可以作為對地外高度文明的探測方式。

當然,對於人類當下的科技水平而言,製造戴森球仍然是不現實的。現代軌道衛星和太陽帆技術的發展,意味著戴森雲和戴森泡的構建,已經不再需要理論上的突破。但其對工業生產能力及自動化能力的驚人需求,仍然在現階段的人類所難望其項背的。

球狀宇宙:從畢達哥拉斯到柏拉圖主義

「戴森球」的設想,重新喚起了人類的一個距離今天並不算太遠、卻已被多數現代人遺忘的世界觀,即「球狀的有限宇宙」。

這種觀念,處在古老的樸素神話「天圓地方」和當代科學的「無限宇宙」之間。它最早出現在公元前6世紀的古希臘,支配西方世界觀念約兩千年。它的提出者是偉大的數學家畢達哥拉斯。

這一理論,有一個和今天科學相符的結論——「地球是圓的」。這相對於其時代來說非常先進。後來的亞里士多德,對於地圓說提出了三個證據:

  • 遠航的船隻,先露出桅杆頂,慢慢露出船身,最後才看得到整艘船。
  • 越往北走,北極星越高;越往南走,北極星越低,且可以看到一些在北方看不到的新的星星。
  • 在月食的時候,地球投到月球上的形狀為圓形。

同時,這一理論還有兩個和今天的科學不同的論斷——「宇宙也是圓的」和「地球是宇宙的中心」。

整個宇宙,是以地球為中心的,作為同心圓的球體。古代並不存在獨立於哲學的自然科學,也幾乎不存在於完全脫離神學的哲學。三者相互交織,共同形成對「世界是怎樣的」這個問題的構想,也就是「宇宙論」。

公元前4世紀的偉大哲學家柏拉圖,在其宇宙論的代表作品《蒂邁歐篇》中提到,「球形是最完美的形體」,而作為造物主的神則是至善的。因此「世界」,也就是「宇宙」,被神以最完美的形狀來創造。因此宇宙是球形的,也是有限的,是一位有著靈魂和軀體的神靈。

不僅宇宙的整體是球形,各個天體也是球形,並且是完美的神靈。在古人的世界裡,自然界狂暴而喜怒無常,生活充滿動盪和不安,生死變亂帶來極度的焦慮。因此人們在心理上,有著對「永恆」和「規律」的強烈追求,因此在文化中創造出了不老不死的永恆神靈。而在人們可見的世界裡,每年固定週而復始運轉的天體,是最具有「永恆」性質的存在。

因此各大文明中的人們,普遍都認為星體,尤其太陽系內的七大天體——太陽、月亮、水星、金星、火星、木星和土星——是強大的神靈,是宇宙規律的支配者。因為天體是支配世界的神靈,所以通過觀測天體的運轉,便可知地上的旦夕禍福,於是就產生了「占星術」。

神創與人造的有限:戴森球的古典原型-第2張

托勒密的地心說宇宙圖

畢達哥拉斯和柏拉圖的宇宙論,在公元二世紀的埃及天文學家克勞狄烏斯·托勒密的研究中,得到了科學化的發展和完善,即「地心說」。在他的著作《天文學大成》中,編制了所有行星圍繞地球運轉的精密觀測、計算與預測的數據。他編制了星表,說明旋進、折射引起的修正,給出日月蝕的計算方法等,把各種用均輪和本輪解釋天體運動的地心學說給以系統化的論證。後世把這種地心體系冠以他的名字,稱為托勒密地心體系。

這一地心說體系,即是後來希臘化三大思潮和基督教神學體系的宇宙論基礎。托勒密生活中羅馬帝國時代,當時羅馬東半部的廣大土地,都處於亞歷山大東征帶來的希臘文化與東方文化融合中,歷史上將這種融合後的文化稱為「希臘化」。在希臘化世界中,最為主導的三大思潮——新柏拉圖主義、諾斯替主義和赫爾墨斯主義。三者都構建在柏拉圖主義——即後世思想家對柏拉圖理論進行的解讀和發展——之上,因此有著非常相似的宇宙觀基礎。而後來成為歐洲思想主流的基督教,也沿襲了這一宇宙論的主體。

在這一宇宙論中,地球是宇宙中心,在其上有七重天,分別隸屬於上面所說的七大天體,與七大天體的運行軌道重合。雖然原則上,七大天體是圓周運動的球體,那麼其軌道只能是圓而不可能是球。但當時的人普遍認為,七重天是七個同心的球殼,每個球殼都完整的覆蓋著那一層空間。

在七重天的外面,則是宇宙最外層的球殼,即「恆星天」,所有橫行及橫行組成的星座,都附著在這個球殼的內部。柏拉圖認為,這層球殼的材料,是世界內部不存在的第五元素——以太。

想一想,這層神造的球狀的宇宙外殼,是不是和人造的戴森殼頗為神似?

戴森球:球狀宇宙的重塑

當然,戴森球構想與柏拉圖的球狀宇宙,還有一個很大的差異——球狀世界的中心,不是地球,而是太陽。

這就涉及到地心說和日心說之爭。

人們最為熟悉的日心說,是十六世紀波蘭科學家哥白尼提出的。1543年,哥白尼臨終前發表了《天體運行論》,提出了所有天體都以太陽為運行中點,因此太陽是宇宙的中心。並以大量的數據和公式作為佐證。一般認為他著的是現代天文學的起步點。後來的伽利略和布魯諾等人,都繼承和發展了哥白尼的日心說。

神創與人造的有限:戴森球的古典原型-第3張

哥白尼的日心說宇宙圖

日心說衝擊力作為天主教會長達千年的宇宙論基礎——托勒密地心說,伽利略和布魯諾都因此受到教會的迫害。但科學的發展、人類對自然的認知,終究不可阻擋,17世紀開始,日心說逐漸成為科學的主流。

事實上在古典時代日心說就被提出過。畢達哥拉斯學派的思想家費洛拉奧斯認為世界的中心並非地球,而是一團「中央火」,被稱為「宇宙之灶」(Hestia)、「宙斯之家」、「眾神之母」。包含地球和太陽在內的所有天體都圍繞這一中央火旋轉。中央火併非太陽,但這一學說成為了後世日心說的雛形。

圍繞旋轉的天體中,最內層是不可見的第十天體——對地星。它是畢達哥拉斯學派為了滿足天體數為10——他們認為10是最完美的、包含一切真理的宇宙之數——而假定的。然後就是大地(地球),每24小時旋轉一週,就是一天。再往外是月亮、太陽、五大行星,最外面是恆星天球,再外面外層火——它是宇宙的外殼。

地心說和日心說之爭,在今天的科學角度看來並無懸念。日心說再向前邁進一步,人類就進入了「無限宇宙論」。無論地球還是太陽,都不再是宇宙的中心。宇宙沒有中心,也沒有上下內外的球狀結構,人如果在宇宙空間中穿行,只會遇到一個又一個永無止盡的太陽系這樣的恆星系。

但是,人類千百年來,因為球狀世界給予自身的秩序感和意義感,並不會因為物理學的發展而一下子徹底清除乾淨。它仍然會以潛意識的方式,存在於人心底,並且在人類社會方方面面不經意的表現出來。

因此,比起收集能量,我個人認為,這才是戴森球理論流行的原因——神不在了,於是人們想要代替神,為自己重塑一個封閉的、令人安心的球狀宇宙。

地心說與日心說:開放與封閉

講到這裡本可以就此結束了,但我還是想要再多說一句,人們常有的關於地心說和日心說的一個誤解:地心說和日心說,到底哪個更開放,哪個更封閉?

因為日心說更接近當代科學的認識,也以更進步的姿態登上歷史舞臺,因此人們很容易本能的認為,日心說更開放、更外向,地心說更封閉、更內向。

但事實上並非如此。

地心說以地球為世界空間意義上的「中心」,這雖然極大的誇大了地球的重要性,但在形而上的意義上,地球並非最「高級」的。相反,地球是最低級、黑暗、沉重與無力的。而且在地球的中心——也就是大地的下面——是更為低級與黑暗的存在——地獄。所以,所有地心說的觀念中,都是以「外部」為高級、光明、神聖的存在,是讓人離開大地、追求天空——也就是球狀宇宙的外層。

在希臘化三大思潮的諸派別中,普遍認為人死後的靈魂會向上飛昇,虔誠善良的教徒的靈魂,會依次向上突破七重天。七重天比大地更純淨、更神聖,但還不是最神聖的。在那之上,是真正的神聖世界,雖然是有限的。

在赫爾墨斯主義的觀念中,靈魂突破七重天后,會來到更高的「八元域」,徹底脫離凡夫俗子,獲得神聖性。若有幸得到更高的神的恩寵,則會繼續飛昇至最高的境界——「九」,也就是至高之神的所在,至善至樂的空間。哥白尼革命前基督教的宇宙觀,也與這一觀念相似。

諾斯替主義的諸教派則更為激進,認為大地和七重天,都是被惡神創造的、禁錮人的光明靈魂的邪惡之所。真正的神在世界——這個球狀宇宙——之外,是永恆的光之世界——普累羅麻。

可以看到,地心說的世界雖然有限,但神聖的、讓人追求的,是在這個宇宙的外側,而非中心。越遠離中心的地方,越高級、越神聖。某種意義上,是一種「向外」的傾向。

反觀「日心說」,其中心從地球身上移開了,變成了太陽。這並非一個單純的替換,而且帶來性質上的倒置——太陽不僅是宇宙的中心,而且是最強大、重要、神聖的存在;相反,宇宙越接近外側,就越是缺乏太陽力量無法照耀的黑暗、苦寒甚至低級、邪惡的地方。

那麼,如果我們要追求「神聖」「高級」,尋求靈魂的提升,這個方向,絕非再向著宇宙的外側,而是向內、向著宇宙的中心——太陽。所以文藝復興時期的日心說,很多都與太陽神崇拜有著密切的關心。我們只需向著宇宙中心崇拜即可,外部的世界,不重要,甚至我們要將其分隔開。

戴森球的構想,有著明顯的內向性「日心說」色彩,太陽的中心地位得到了空前的強調。而人們要做的,是將太陽的強大力量儘可能隔絕在人類的「宇宙」內,不使其白白散失到黑暗的宇宙空間中。人類要圍繞著偉大的太陽,構建一個更加緊密的宇宙。

但同時,戴森球構想又有著開放、外向的色彩。這種對內、對太陽的圍繞,其一部分意義,是更好的藉助於太陽的力量,探索更遙遠的宇宙空間。某種意義上,遠方的宇宙空間,帶有另一種浪漫主義的理想色彩。

這就是人類無休止的宇宙之夢吧。

神創與人造的有限:戴森球的古典原型-第4張

當代物理學“引力的本質是空間彎曲”的宇宙圖景



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