弗里曼·戴森(1923.12.15-2023.02.28)
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介绍：
96 岁的理论物理学家弗里曼·戴森于两个多月前去世。他是前普林斯顿高等研究院教授，在理论物理、数学、天文学等领域做出了显着贡献的传奇人物。甚至他对气候变化、核武器、科学和宗教的想法和观点也产生了巨大的影响。本文简要介绍和回顾戴森并解读他关于外星生命和文明的想法。
作者| 郑铮（美国犹他大学）
编辑| 韩月阳陆浩然
戴森印象
戴森在剑桥大学三一学院获得数学学士学位，并发表了两篇数论研究论文。 1947年，他来到美国康奈尔大学，师从后来获得诺贝尔物理学奖的汉斯·贝特学习物理学，并结识了理查德·费曼。 1951年，没有博士学位的戴森受到罗伯特·奥本海默的邀请，成为康奈尔大学物理学教授，并加入普林斯顿高等研究院。直到他去世。
他在物理学方面最著名的成就是证明了量子电动力学的两种表示形式（费曼的路径积分和施温格和朝永慎一郎的场论方法）的等价性，这对建立力学起了重要作用。他深受费曼的影响，是费曼以外第一个应用费曼图的物理学家，并大力普及了这一工具。他曾与费曼驾车穿越美国，留下了许多故事。在天文学领域，我在进行类星体和中子星研究的同时，也一直在深入思考寻找地外生命形式和文明。
图1：在高等研究院的时间（左起：Pais、李政道、杨振宁、Dyson、A. Richards，约1961年。图片来源：文献[1]）。
戴森与高等研究院的杨辰宁和李宗道合作多年（图1中著名的黑白照片是佩斯、李宗道、杨辰宁和戴森一起度过的时光）。在高等研究院）。戴森对杨振宁教授给予了高度评价。 1957年，当李和杨获得诺贝尔物理学奖的消息传到研究所时，戴森给母亲写了一封信[2]，感叹自己的研究与杨的水平不一样，说杨的获奖只是一个奖项。公共场合。当今最聪明的物理学家发表了所有人都同意的声明。他在杨振宁退休宴会上的讲话—— 《保守的革命者》 [3]是一篇值得一读的文章。
戴森受邀在美国数学会做一场名为“爱因斯坦”的公开讲座，他为科研人员分类的讲义非常有趣。虽然他关注的是数学家，但他也提到了物理学家，他的观点也适用于其他领域。他将研究人员分为两类：鸟类和青蛙。鸟儿在天上飞翔，眺望远方，但它们喜欢统一大家的思想，整合不同的问题，而青蛙则更喜欢住在泥里，着眼于某个特定问题的细节和解决方案。一次问一个问题。戴森认为，探索这个领域既需要鸟的广度，又需要青蛙的深度，两种类型的研究人员之间没有区别。培根注重观察和细节，通过实践获得真知，笛卡尔注重逻辑、思维、我思故我，是鸟。
物理学家戴森特别评论说，杨-米尔斯非阿贝尔规范场是在鸟类陷入困境的时候出现的。戴森认为，“对称性决定相互作用”的思想是杨对物理学的最大贡献。大多数人生活在由许多小问题组成的雨林中，而简是一只飞翔在雨林上空的鸟。戴森将自己定位为一只青蛙。他和提出规范场的赫尔曼·韦尔在高等研究院通信了一年。当时，戴森正在两个截然不同的领域发表研究成果：数论和量子电动力学，因此韦尔对他青睐有加，并对他成为一只鸟寄予厚望。戴森说，尽管他在泥巴上挖了很多洞并注满了水，但他仍然是一次挖一个洞，并没有追求将它们连接起来的宏伟图景。
图2：作者于2023年4月访问了高等研究院，恰逢戴森的书信自传发布，并在富尔德大厅签名。
戴森写了很多书，包括《鸟与青蛙》（《扰动宇宙》），这是一本自传体文档，记录了他的经历，包括他与费曼和其他人的互动。到达美国后，戴森继续经常给母亲和家人写信。两年前，这些保存下来的信件被整理成一本名为《宇宙波澜》（《图案的制造者： 通过信件的自传》）的书。可以说，这是一本充满典型戴森风格的自传。 2023年笔者访问高等研究院时，恰逢本书发布（图2）。
图3：2023年10月4日，戴森（右）在高等研究院草坪上与人们演讲讨论（毛树德摄）。
2004年笔者去普林斯顿高等研究院做博士后时，戴森已经退休，但他仍然基本每天出现在研究所。戴森是一位高高瘦长的老人，有着高鼻子和大耳朵。在研究所每天的下午茶时间，他经常出现在Faldo Hall，坐在沙发上静静地看报纸。有时我会放松并与不同的学者讨论问题。以及平和的态度（图3）。
这是一个关于下午茶的著名故事[5]。据说，研究黎曼猜想的数学家蒙哥马利参观该研究所，在喝下午茶时偶然遇见了戴森，两人进行了介绍和交谈。没想到，这种脱节的聊天，竟然创造了奇迹。在听说蒙哥马利在黎曼函数方面的工作后，戴森指出蒙哥马利实际上研究了黎曼函数非平凡零点的密度分布函数和量子统计。它与随机埃尔米特矩阵的特征值的相关函数有关，神奇地建立了素数分布与量子系统之间的关系。
戴森经常去听天体物理组的报告，午餐时他会来到天体物理组的餐桌旁听我们讲课，饶有兴趣地了解天文学领域的最新进展。当然，我很期待听到他分享他的见解。
戴森在高等研究院生活了近70年，是研究院的活档案，经常作为特邀嘉宾出现在研究院的各种纪念活动中。他了解研究所的历史，知道一些轶事，对一些人物也有独特的评论。记得2008年，研究所成立75周年，戴森先生作为嘉宾上台讨论并回答观众的问题。观众问起奥本海默，他说他主持了制造原子弹的曼哈顿计划，然后担任该研究所所长近20年。观众对奥本海默很感兴趣。识别人的能力。戴森笑道：“我对奥本海默的认人能力不太了解，我给你讲个故事吧。”所以他说，1954年，莱昂·库珀以博士后的身份来到实验室，在汇报会上讲述了他新开发的电子对概念。谈了一会儿之后，奥本海默说，当电子来到你身边时相互排斥，那就是出了问题。奥本海默无意听库珀的解释，也不急于完成报告。
年底，教授们对这位博士后进行了评估，坚持让库珀退休，理由是他对物理概念模糊，不适合留在实验室做博士后研究。他的老师杨振宁高度赞赏他的才华，并写信将库珀推荐给伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的巴丁教授。在那里，巴丁、库珀和施里弗共同实现了BCS 超导理论（以他们的姓氏命名），并因此获得了1972 年诺贝尔物理学奖。库珀电子对是该理论中的一个重要概念。库珀后来在布朗大学工作，但始终关心高等研究院。他曾经给戴森打过电话，邀请他加入布朗大学。我对戴森说，你为什么还呆在这么破的地方？
图4：2011年12月，戴森一家在幼儿园筹款活动中帮忙，并与作者的女儿聊天。
戴森喜欢参加各种活动。作者保存的照片中有一张是戴森一家与女儿交谈的照片（图4）。此次参加了该院幼儿园举办的募捐拍卖会，其作品也在捐赠拍卖品之列。署名作品。当作者得知戴森去世后，他拿出这些照片给女儿看。当然，在她眼里，这些只是慈祥的爷爷奶奶。她还不明白两个普通人的奇妙故事。
戴森球
在天文学相关领域，戴森最出名的可能是以他的名字命名的戴森球。戴森球起源于他1960年6月3日在杂志《模式制造者：书信构成的自传》上发表的一篇短文：《科学》[6]。戴森在文章中提出，可以通过寻找具有强红外辐射的物体来发现技术先进的外星文明，并提出了戴森球的概念。戴森球的英文名称是“Dyson Sphere”，而不是“Dyson Ball”。它与戴森吸尘器完全不同（图5）。
图5：这个戴森球不是戴森球。
图片来源：https://en.wikipedia.org/wiki/Dyson_sphere 和https://www.dyson.com/。
这篇短文的背景是新近启动的外星智慧体探测。 1959年，康奈尔大学的两位物理学家Giuseppe Cocconi和Philip Morrison在期刊上发表了一篇论文：《搜索人造的恒星红外辐射源》[7]。本文首次提出智能生命形式可能使用物理上独特且通用的标准频率进行星际通信。一种选择是中性氢发出的21 厘米辐射，使用射电望远镜探索该波段可能会探测到来自外星文明的信号。
当时在美国国家射电天文台工作的弗兰克·德雷克（他提出了估算银河系中可能与我们接触的先进文明数量的公式）提出了以下建议：将其付诸实践。 1960年，他利用西弗吉尼亚州格林班克的26米射电望远镜，在21厘米波段内探测到了太阳附近的大约两颗恒星，即鲸鱼座和波江座，并进行了四次观测。的观察。该项目称为“奥兹玛计划”，以著名童话故事《自然》 中奥兹玛之地的公主命名。[8]虽然没有观测到地外文明的信号，但这一项目标志着人类利用现代科技手段探测地外文明的开始。
受到无线电探测的启发，戴森另辟蹊径，在论文中指出了寻找地外文明的另一种方式。他想到的是一个已经发展到非常先进阶段的外星文明，其工业和科技水平远远超过我们。戴森以与我们太阳系类似的恒星系统为例，探讨了此类文明的发展过程。目前，人类所能利用的材料仅限于地球生物圈（约51016公斤），所使用的能源量约为1013瓦。他认为高级文明可以利用的物质有木星的质量，约为21027千克，所需的能量相当于整个恒星（母星）的辐射功率，为41026千克。瓦特。他指出，用不了多久，材料和能源的使用就增加了近12个数量级，按照人口和工业每年1%的增长率计算，只需要3000年。这段时间看似很长一段时间，但与明星的一生相比，却只是一瞬间。
这种文明的能源需求可以通过行星工程来满足。这意味着让像木星这样的行星塌缩（所需的能量是母恒星800年释放的总能量），然后让这些物质形成一个有半径的壳。要完全阻挡和利用母星的辐射能，请将太阳和地球层之间的距离加倍。这个数米厚的外壳适合居住，戴森将其称为人造生物圈。这后来被广泛称为戴森球。
如果上述可能性成立，那么从遥远的观察者（我们）的角度来看，隐藏在壳层中的母星在光带中将非常微弱，但温度为200-300 开尔文的壳层将是在红外线中会出现10微米波段会发出强烈的辐射。戴森建议，基于地球大气层在该波段周围是透明的这一事实，应该寻找发射强红外辐射的物体来寻找外星文明的迹象。这种搜索可以与无线电检测结合或独立地进行。
戴森的文章自然引起了很多读者的兴趣，杂志《搜寻星际通讯》刊登了三封读者来信。戴森简洁地回答了读者的问题。[9]他特别澄清，母星周围的外壳不是一块钢板，这在机械上是不可能的。他设想的外壳由不同轨道上的许多物体组成。红外线与建造细节关系不大，所以他不知道如何建造它。此后，戴森球得到了积极的讨论，并且戴森球概念出现了许多变体（戴森集团、戴森气泡、戴森壳、戴森网构造等[10]）。以及电影和电视作品。对于类似于戴森球的行星工程，您可能会想到《绿野仙踪》。事实上，在更理性的环境下，我们的人类文明早在地球漂移之前就可以建造并利用戴森球。
图6：行星、恒星和银河层面的卡尔达舍夫型能量操纵尺度（根据卡尔萨根修改后的定义），图片来源：https://en.wikipedia.org/wiki/Kardashev_scale。
天文学家痴迷于分类，喜欢将天体和天文现象分为I、II、III、a、b、c等不同类型。戴森讨论的外星文明对应卡尔达肖夫分类中的II型文明[11]。尼古拉·卡尔达舍夫（Nikolai Kardashev）于2023 年去世，是一位苏俄天文学家，是甚长基线干涉测量（VLBI）技术的早期支持者和推动者之一。这项技术依靠世界各地射电天文望远镜的协调干涉观测来获得与地球大小的望远镜相当的极高空间分辨率，我们能够瞥见黑洞（去年的M87星系）。
1964年，卡尔达肖夫在杂志《科学》上发表了一篇论文[12]，讨论了在无线电频段探测外星文明的问题。他根据能源的使用将文明分为三个等级。 I型是行星级文明，技术水平与我们今天大致相同，能耗为41012瓦。 II型是恒星级文明，能量消耗在41026瓦左右，基本相当于太阳的辐射功率。这意味着这种文明可以利用和控制恒星提供的能量。他特别提到的例子就是此类文明成功建造了戴森球。 III型是银河级文明，能够控制41038瓦的能量，相当于整个银河系恒星的辐射力。
这三种文明之间的距离很长，每个阶段的能源使用跨越12个数量级（戴森在他的论文中实际上估算了从I型到II型的时间尺度）。卡尔·萨根提出修改和扩展卡尔达肖夫的分类[13]，将能源使用的阶段改变为十个数量级的差异。 I型文明的能源使用量已变为1016瓦，比它们在地球上接收的太阳辐射量低了大约一个数量级，而II型文明与III型文明相比仍保持在1026瓦的水平。 1036 瓦（图）。 6).这一修改还允许我们定义一种中间类型的文明，即卡尔达肖夫文明类型K=(log10P-6)/10。其中P 是以瓦为单位的能源使用量。按照这个定义，目前地球上的人类文明是0.73型。
戴森本人反对“戴森球”这个名字。在《流浪地球》中，他认为科幻小说作家将这个概念不公平地归因于他，相反，他从奥拉夫·斯塔普尔顿1937 年的科幻小说《苏联天文学》中汲取了灵感。它被获得了。当戴森先生听说戴森球时有何感想？笔者想分享一个他亲身经历的轶事。
2005年春天，普林斯顿高等研究院天体物理组邀请加州大学洛杉矶分校的本杰明·祖克曼（Benjamin Zuckerman）来做学术讲座。他是20 世纪70 年代发现外星文明的奥兹玛研究人员之一。二期工程主要领导。祖克曼报告了他观察恒星吸积的研究，戴森也在观众席上。根据演讲者的经验和研究，他在幻灯片的第2 页提到了戴森球。祖克曼清楚地意识到戴森也在这里，所以在谈到这两页时，他提高了声音，强调了戴森这个词。自然，全场观众都看向戴森，想看看他的反应，但随后全场都笑了起来。戴森静静地坐在座位上睡着了。)
戴森球和寻找外星生命形式
我认为戴森球很精彩，但是观测取得了哪些进展呢？一个完整的戴森球遮住了它的母星，发出集中在红外波段的温度约为几百开尔文的近黑体辐射。正在建造或不完整的部分戴森球也会导致红外辐射叠加在母星的光谱上。自1985年以来，人们为从红外勘测数据中寻找戴森球或部分戴森球做出了一些努力[14-16]。 Richard Carrigan [17] 利用IRAS 红外卫星的全天巡天数据分析了250,000 个红外源的低分辨率光谱，得到了16 个候选源，其中大多数具有合理的天体物理潜力（例如地球尘埃对后期的影响）。恒星演化）。其中，只有四个可以被称为几乎可疑的戴森球或部分戴森球。
IRAS的数据足够灵敏，可以在太阳周围1000光年范围内探测到戴森球体，并且由于这个体积包含100万颗类太阳恒星，因此上述搜索结果表明戴森球体在太阳周围存在的话是非常罕见的。全部。类似的观测也被用来研究III型星系级别的文明数量，利用WISE望远镜的数据表明，此类文明星系的能量消耗增强了附近星系的辐射。即使存在这样的文明，也是极为罕见的。[18]这些搜索的结果不可避免地令人失望。也许我们很难找到知心朋友，注定孤独？但如果刘慈欣科幻小说《宇宙波澜》中的黑暗森林法则确实成立，感谢上帝，感谢银河系，地球文明将暂时安全。
2015 年，Planet Hunters 发现了一颗奇怪的恒星，该平台动员志愿者帮助审查开普勒太空望远镜的数据[19]。开普勒输入目录号为KIC8462852，以Tabby Boyajian命名，他是后来分析这一发现的论文的第一作者。它是一颗F 型恒星，位于天鹅座，距地球约1,500 光年，其特点是亮度变化不规则、难以理解，变化高达22%。
自从它被发现以来，人们提出了许多可能性来解释这种现象，包括恒星本身的变化、恒星和行星彗星碎片周围的不规则尘埃环，甚至太阳系中小天体的扰动。没有结论。另一种可能性是外星文明实施的超级项目正在建造戴森球。然而随后的观测表明，没有证据表明该恒星在红外波段的辐射有所增强[20]，基本上排除了这种可能性。在过去的几个月里，猎户座肩部的一颗明亮恒星参宿四的亮度显着下降，许多媒体援引戴森球正在建造的可能性。事实上，更合理的解释是戴森球引起的变化。红超巨星本身的演化。在不排除所有可能的天体物理学解释的情况下，谨慎的天文学家会犹豫是否宣布发现戴森球。
图7：根据卡尔·萨根小说改编的电影《造星者》展示了在无线电频段寻找外星文明的故事。
对戴森球的搜寻是统称为外星智慧探索（SETI [21]）计划的一部分，该计划分为两类：探测星际通信信号和寻找代表先进技术的物体和信号。分类很广泛。前者主要关注无线电频段，是Ozma 项目的延续。根据萨根的小说改编的科幻电影《三体》（《接触》，图7）反映了这样一个项目。目前，最著名的项目之一是Breakthrough Listen [22]，它是由亿万富翁Yuri Milner 资助的。该项目由北半球美国100米格林班克望远镜和澳大利亚64米帕克斯望远镜观测。来自南半球的我国500米FAST望远镜也加入了合作。后一类检测主要集中在红外和光学波段。信号包括类似于戴森球的天文级项目、代表城市和文明的系外行星发出的光，或者含有工业化过程特征成分的行星大气。
当然，如果有国外的客人就更好了。 2023年，天文学家发现了首次穿过太阳系的星际物体“Oumuamua”（图8）。该物体有许多独特的属性（细长的形状、额外的加速度等）。等），在幻想中，媒体报道也假装将其描绘成星际战舰或宇宙飞船，但现实中却有更合理的天体物理学解释。
目前，太阳系外行星的发现、观测和研究正在如火如荼地进行，为寻找地外生命发挥着重要的推动和指导作用。
图8：双曲轨道揭示了“Oumuamua”星际访客的身份（左；nagualdesign；Tomruen）和基于观测特征的艺术创作（右；ESO/M. Kohnmesser）。图片来源：https://en.wikipedia.org/wiki/Oumuamua。
在地外文明不断被发现的同时，人类文明也在消失。航行者1 号和2 号以及先锋10 号和先锋11 号于20 世纪70 年代发射，其飞行距离超过了太阳与地球之间距离的100 倍。还有2006年发射的新视野号宇宙飞船，它最终将离开太阳系，踏上星际之旅。两艘先锋号飞船还配有镀金铝板，上面刻有有关地球和人类的信息。 2023年，米尔纳、霍金和扎克伯格启动了突破性摄星计划[24]，建造1000个重量仅为几克、携带一米见方光帆的高功率太空探测器，准备发射到地面。激光将它们加速到20 个单位。它将以光速%的速度，在20到30年内飞向距离4.3光年的比邻星，近距离拍摄这颗行星的照片，并发回地球。这已经类似于一个小型天文学项目。戴森受邀加入该计划的管理和咨询委员会。
戴森从未停止过对外星生命的思考。 2003年，他发表了在太阳系《超时空接触》的行星、卫星、小行星和柯伊伯带天体上寻找生命的想法[25]。他认为适应寒冷环境的生物体可能会进化出透镜和镜子等系统来聚焦阳光。未被吸收的光或生物辐射穿过该系统，形成窄光束，反射回太阳。他提议寻找远离太阳的明亮地点来发现外星生命。
除了对物理学的重要贡献外，戴森在天文学领域关于外星生命和文明的思想激发了我们的想象力，值得铭记。他看上去很有想象力，但仔细想想，他所做的只是基于理性假设的探索。最重要的是，他强调观察。因此，戴森仍然致力于大胆假设和仔细测试的经验精神，这是我们在对外星生命和文明进行科学探索的过程中必须坚持和践行的。
我写这篇文章，作为纪念。
作者简介： 郑铮1996年获北京大学地球物理系天体物理学学士学位，1999年获中国科学院北京天文台硕士学位，1999年获美国俄亥俄州立大学博士学位。 2004年获得。曾在普林斯顿大学和耶鲁大学高等研究院进行博士后研究。目前，他是犹他大学物理与天文学系的副教授。他的研究兴趣广泛，主要方向为宇宙学、宇宙大尺度结构、星系的形成与演化。
参考：
[1] 杨振宁，论文选集，1945-1980，附评论，2005。
[2] F.J. Dyson，《Pattern Maker : 自传》，2023 年。
[3] F.J. Dyson，《现代物理学快报A》，第14 卷，1999 年。
[4] F.J. Dyson，AMS 公告，第56 卷，第212 页，2009 年，https://www.ams.org/notices/200902/rtx090200212p.pdf。
[5] 陆朝海，《超时空接触》。
[6] F.J. Dyson，《科学》，第1667 卷，1960 年。
[7] G. Cocconi 和P. Morrison，《自然》，第184 卷，第844 页，1959 年。
[8] Project_Ozma，https://en.wikipedia.org/wiki/Project_Ozma。
[9] F.J. Dyson，《科学》，第132 卷，第250 页，1960 年。
[10] 戴森球体，https://en.wikipedia.org/wiki/Dyson_sphere。
[11] Kardashev_Scale，https://en.wikipedia.org/wiki/Kardashev_scale。
[12] N.S.卡尔达肖夫，苏联天文学，第8 卷，1964 年。
[13] C. Sagan，《伊卡洛斯》，第19 卷，第350 页，1973 年。
[14] V.L. Slaisch，IAUS，第112 卷，1985 年。
[15] M. Yu，N.S. Kardashev，V.G. Promyslov，AsAau，第46 卷，2000 年。
[16] Jugaku 和Nishimura，IAUS，第213 卷，第437 页，2004 年。
[17] R. Carrigan，ApJ，第698 卷，2009 年。
[18] J.T. Wright 等人，ApJ，第27 卷，2014 年。
[19] T.S. Boyajian 等，MNRAS，第457 卷，2023 年。
[20] H.Meng 等人，ApJ，第131 卷，2023 年。
[21] SETI，https://en.wikipedia.org/wiki/Search_for_extraterrescial_intelligence。
[22] Breakthrough_Listen，https://en.wikipedia.org/wiki/Breakthrough_Listen。
[23] Y. 张和D.N.C. Lin，“https://doi.org/10.1038/s41550-020-1065-8”，自然天文学，2023 年。
[24] Breakthrough_Starshot，https://en.wikipedia.org/wiki/Breakthrough_Starshot。
[25] F.J. Dyson，IJAsB，第2 卷，第103 页，2003 年。
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