科学猜想：围绕太阳建造的戴森球能容纳多少地球人口

北京时间 3 月 14 日消息，据国外媒体报道，小行星是否可能是形成行星等天体的原材料？如果可以的话，我们能否拆掉木星，用来建设新的家园？

早在 19 世纪，在对宇宙中存在生命的推测尚无证据的平静日子里，苏格兰的"自然神学家"托马斯・迪克就提出了一个著名的观点，认为我们的太阳系可以孕育大约 22 万亿个生命。这个数字听起来似乎很荒谬，但迪克并没有完全脱离当时的科学背景。认为宇宙中某个地方必定存在丰富生命的想法是很合乎逻辑的，与此相反的说法则认为地球是特殊的，是独一无二的，但这就与我们从哥白尼那里了解到的一切不大一致。这也与迪克的信仰不一致，他相信上帝是仁慈和慷慨的，忙于在宇宙中传播其创造的事物。

即便在当时，迪克对这些造物存在的思考也是很极端的。例如，他认为土星环为生命提供了潜在的表面，而其他几乎所有地方，从土星本身到木星、天王星、火星、金星等等，都可能存在生命（海王星当时尚未被发现）。所有这些加起来，假设物种的密度与地球上人类的密度相似，就可以得出一个大约 22 万亿的数字。迪克甚至提到，如果太阳也适合居住，其表面就能容纳 30 多倍于此的生命。

今天我们知道，太阳系里几乎不存在如此数量的多细胞实体，更不用说人类了，而且我们对太阳系中可能适合生命存在的区域已经有了更多的了解。对于像木星和土星这样的气态巨行星，可以很容易排除其存在任何地表生物的可能性（尽管卡尔・萨根和埃德温・萨尔皮特曾在 1976 年写过一篇伟大的科学论文，讨论了在木星上存在大气生物的可能性）。而且，对于几乎任何有固体表面的地方 -- 无论是在火星上，还是在被挖空并利用起来的小行星上 -- 都需要进行大量的环境工程，才能使像人类这样的生命生活得舒适一些。

因此，尝试估计太阳系能够维持的最大人口容量，其实并不是一件很容易的事情。在 2005 年发表在《英国星际学会杂志》的一篇文章中，研究作者探究了太阳系氮、磷等关键生物元素在可得性限制因素。如果这些元素（连同所有其他必要但更丰富的元素，比如碳和氧）可以很容易地从太阳系中所有的碳质小行星（数量可能超过 1 亿）上获取，仅此一项，就可以"增加"6000 倍的地球生物量 -- 地球上所有生物的总和。那么，假设这些生物量具有和地球一样的生物与人类之比，那么太阳系就可以供养大约 50 万亿人。如果能以某种方式获取并利用小行星上所有对生物有用的物质，这个数字还可以达到数千万亿。

当然，这些估计都建立在一种假设上，即存在某种将所有这些原材料转化为生物的机制，并且有地方存放这些原材料。在这一背景下，还有一个隐含的假设是，存在支持所有这些生物质的能量，即存在维持环境温度和代谢过程的能量。这里所说的"代谢过程"，指的是将能量和原料转化为食物的光合作用或化学合成等过程。

在太阳系中，最大的现成能量来源自然是太阳本身。地球截获了大约 173000 万亿瓦的太阳能（其中大约 30% 会在到达行星表面之前被反射回太空）。目前，人类的总能源消耗仅为这个数字的万分之一，但与此同时，地球上许多其他生命也在利用太阳能。目前，整个地球供养着大约 80 亿人口，因此我们可以保守地假设，地球所截获的全部太阳能就是维持环境、生物圈和人类生存所必需的能量总和。

幸运的是，这 173000 万亿瓦的能量仅仅是太阳向各个方向的电磁输出总量的 100 亿分之一。因此，如果一个地球可以维持 80 亿人（鉴于人类对地球的负面影响，这个数字可能不一定是保守的），那么太阳系从太阳所获得的能量，原则上足以支持 100 亿个这样的世界，也就是 80 亿人口的 100 亿倍。

于是，这就有了可供 50 万亿人使用的原材料，以及足够 8000 万万亿人使用的太阳能。换言之，我们可能会在能源耗尽之前就将原材料耗尽。但更令人担忧的是，我们可能会耗尽所有这些可供人类居住的物理环境。这个思维实验很自然地将我们引向了美国物理学家弗里曼・戴森在 1960 年发表的著名的一页纸论文，他在论文中概述了所谓的"戴森球"的概念。

戴森球是一个环绕太阳的结构（在戴森的最初构想中，这一结构的灵感来自于科幻小说作家奥拉夫・斯特普尔顿的《造星者》），以地球轨道为半径。换句话说，这个球体，或者说集结在轨道上的结构群（因为一个固体的球形壳可能不大稳定），将提供一个内表面，其每单位面积接收到的太阳能与地球目前接收到的总能量相匹配，从而形成一个潜在的宜居环境，其面积约为地球表面的 5.5 亿倍（相当于地球陆地表面积的近 20 亿倍）。这种结构的厚度可能达到数米，其建造材料全部来自于对木星物质的重新利用；木星的质量大约是地球的 317 倍。

然而，8000 万万亿人生活在地球陆地面积近 20 亿倍的地方，将会是什么样的景象？换算一下，这个球体的平均人口密度约为每平方公里 290 人。这听起来似乎还不算太糟，毕竟菲律宾马尼拉的平均人口密度达到每平方公里 7.1 万人以上，纽约曼哈顿每平方公里则有 28000 人。事实上，美国康涅狄格州的人口密度就与戴森球相当接近，平均每平方公里约有 288 人。

也就是说，通过一些协调和重组，可以在戴森球的某些区域达到普通城市的人口密度，同时保留开放的空间区域。这就给留下了一个相当令人惊讶的结论，与托马斯・迪克在 1838 年提出的结论不谋而合，那就是：如果以恒星系统的原材料总量来估算的话，太阳系所能容纳的人类数量被严重低估。诚然，迪克没有想过利用整个木星的物质来建造一个戴森球，但他以一种奇怪的方式获得了正确的结论。

因此，就实际支持 8000 万万亿人生活的环境，以及其他伴随生物的生物量而言，最大的限制因素是原材料的可得性。这个数字大约是从含碳小行星中推断出的生物元素可得量的 10 万倍。另一方面，如果我们能够重新利用整个木星来建造戴森球结构，那我们当然也可以重新利用其他星球来实现这一目的。

以非常近似的估计，土星、天王星和海王星的全部物质可能提供大约 100 万亿亿吨的生物可用物质。据估计，目前地球上的生物量约为 1 万亿吨，因此这些星球有可能形成约 100 亿个地球规模的生物量，而这些生物量可以养活总计约 1000 万万亿人，足以占据一个包围恒星的球形结构或轨道结构群上所有能量充足的区域。

当然，我们也面临各种各样的问题，尤其是关于地球自身是否具有维持人类生存的能力的假设，因为我们不清楚目前的人口数量是否真的与这个星球相匹配。戴森球概念的根本假设是，只要有适量的恒星能量，就可以转化为适宜居住的环境。这是对已知生态系统如何运作的粗略简化，包括了不断输入、输出的能量与物质，以及生命的动态变化和进化。

不过，以这种方式对太阳系进行分析是非常有趣的，因为这让我们认识到，人类在生命增长与宇宙潜在容量的思考上可能会十分狭隘。正如我们曾经想象大多数行星系统都和我们的太阳系相似，但后来发现，系外行星其实更加多样化。我们关于生命只局限于少数幸运行星表面的观点，可能也只是先入为主的一厢情愿。

也许在某个地方，生命已经"吞噬"了整个星球，变成了围绕恒星的主体。托马斯・迪克曾兴奋地想象人类居住在许多宏伟的世界里，但这样的场景可能只代表了一种原始状态；到了未来，这些世界可能会被重塑，变得更能满足生命贪婪的需求。