弗里曼·戴森（1923.12.15-2020.02.28）
圖片來源：http://www.ias.edu；Dan Komoda
導讀：
96歲高齡的理論物理學家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）在兩個多月前去世了。他是普林斯頓高等研究院的退休教授，更是一位在理論物理、數學、天文等多個領域都有出色貢獻的傳奇人物。甚至他對氣候變化、核武器、科學與宗教等方面的思考和觀點，也都有深遠的影響。本文將簡要介紹、回憶戴森，對他關於外星生命和文明的思考進行解讀。
撰文 | 鄭政（美國猶他大學）
責編 | 韓越揚 呂浩然
戴森印象
戴森在劍橋大學三一學院獲得數學學士學位，發表了兩篇數論研究論文。1947年他來到美國康奈爾大學跟隨後來的諾貝爾物理獎獲得者漢斯·貝特（Hans Bethe）研究物理，並結識了理察·費曼（Richard Feynman）。1951年，沒有博士學位的戴森被聘為康奈爾大學的物理學教授，兩年後應奧本海默（Robert Oppenheimer）邀請，他加盟普林斯頓高等研究院，此後便一直呆在那裡直到去世。
他在物理學裡最著名的工作是證明了量子電動力學兩種表述（費曼的路徑積分以及施溫格和朝永振一郎的場論方法）的等價性，對量子電動力學的建立起到了決定性作用。他深受費曼影響，是除費曼之外第一個應用費曼圖並極力推廣這一工具的物理學家。他曾經跟費曼開車橫跨美國，留下許多故事。在天文領域，他曾在類星體和中子星等領域做過研究工作，同時他對地外生命和文明的探索有過很多思考。
圖1：高等研究院的時光（左起：派斯、李政道、楊振寧、戴森；大約1961年，A. Richards。圖片來源：文獻[1])。
戴森和楊振寧、李政道在高等研究院共事多年（圖1這張著名的黑白照片記錄了派斯、李政道、楊振寧和戴森等一起在高等研究院的時光）。戴森對楊振寧先生推崇備至。1957年，當李、楊獲得諾貝爾物理獎的消息傳至研究院時，戴森在寫給母親的信中[2]感嘆到自己的研究和楊的不是一個檔次，說楊的獲獎不過是公開宣稱了大家都認可的楊是當今最聰穎的物理學家這一事實。他在楊振寧榮休晚宴上的演講——《保守的革命者》[3]是一篇非常值得一讀的文章。
戴森曾應邀為美國數學學會作冠名愛因斯坦的公眾講座，準備的講稿《鳥與青蛙》[4]對科學研究者進行了分類，讀起來頗有意思。雖然他側重討論數學家，但也提到了物理學家，其觀點在其他領域也適用。他把研究者分為鳥和青蛙兩類。鳥翱翔天空俯瞰遠方，他們喜歡的觀念是統一大家的思想和整合各種不同的問題；而青蛙生活在泥地，目光所及只是身邊的鮮花，他們喜歡的是特定問題的細節，一次解決一個問題。戴森認為兩種研究者沒有高下之分，探索一個領域既需要鳥之廣也需要蛙之深。注重觀察和細節、實踐出真知的培根是蛙，強調邏輯和思維、我思故我在的笛卡爾是鳥。
物理學家里戴森特別點評了楊振寧，在鳥輩難為的年代，楊-米爾斯非阿貝爾規範場橫空出世。戴森認為「對稱決定相互作用」的思想是楊對物理學最偉大的貢獻，大多數人在眾多小問題構成的雨林里終其一生，而楊則是雨林之上那隻高高飛翔的鳥。戴森將自己定位為蛙。他和提出規範場的外爾（Hermann Weyl）曾經在高等研究院有一年的交集。由於戴森當時發表了數論和量子電動力學兩個截然不同領域的研究，外爾對他青眼有加，寄厚望於他成為鳥。戴森說自己雖然曾在泥地上挖過不少坑灌過不少水，但終究還是一次一坑，沒有追尋把它們聯繫結合起來的宏偉圖景，是一隻不折不扣的固執的蛙。
圖2：2018年4月筆者訪問高等研究院，適逢戴森的書信自傳一書發行，在Fuld Hall簽名。
戴森著作頗豐，其中《宇宙波瀾》（Disturbing the Universe）是他的一本自傳性質的文字，裡面記錄了他的經歷，包括和費曼等人的交往。戴森到美國後一直保持著給母親和家人頻繁寫信的習慣。兩年前，這些保留下來的信件被編輯成書：《模式製造者：書信構成的自傳》（Maker of Patterns: An Autobiography through Letters）。這可謂是一本充滿戴森特色的自傳。筆者2018年訪問高等研究院時，恰逢此書發行（圖2）。
圖3：2017年10月4日，戴森（右）在高等研究院草坪與人交談討論（毛淑德供圖）。
筆者2004年去普林斯頓高等研究院做博士後的時候，戴森已經退休，但他基本每天都會出現在研究院。戴森是一位細瘦矍鑠、高鼻大耳的長者，在研究院每天的下午茶時間，他經常出現在富爾德大廳（Fuld Hall），在沙發上安安靜靜地讀書看報，有時也會輕鬆平和地和各色學者探討問題（圖3）。
這裡有一個著名的關於下午茶的故事[5]。話說研究黎曼猜想的數學家蒙哥馬利到研究院訪問，喝下午茶的時候偶遇戴森，被引薦和戴森閒聊。沒成想，這八桿子打不著的閒聊居然產生了奇蹟：聽了蒙哥馬利講他的黎曼函數研究後，戴森居然指出蒙哥馬利研究的黎曼函數非平凡零點的密度分布函數和量子統計里的隨機厄密矩陣的本徵值的關聯函數有關，神奇地把質數分布和量子系統建立起了聯繫！
戴森時常到天體物理組聽報告，午餐時也常常湊到天體物理組的一桌饒有興致地了解天文領域的最新進展，聽我們高談闊論。當然，我們也樂見他分享見解。
由於戴森近七十年一直生活在高等研究院，他成了研究院的活檔案，經常是研究院各種紀念活動的特邀嘉賓。他對研究院的歷史如數家珍，對一些掌故軼事信手拈來，對一些人物也有獨到的點評。記得在2008年，研究院成立75周年的時候，戴森作為嘉賓上台討論，回答聽眾提問。有一位聽眾問到了奧本海默，說他主持了製造原子彈的曼哈頓工程，後來擔任了近20年的研究院院長，領導能力有目共睹，這位聽眾好奇奧本海默識人能力如何。戴森呵呵笑了一下說，奧本海默識人能力如何我不太清楚，我給大家講個故事吧。於是他提到，1954年，里昂·庫珀（Leon Cooper）來研究院做博士後，在一次報告會中講自己剛剛發展的電子對概念。剛講了一會兒，奧本海默就說你這物理有問題啊，電子之間是相互排斥的，到你那兒怎麼就相互吸引了，肯定不對。奧本海默根本沒心思聽庫珀解釋，也不讓他講下去了，報告會草草收場。
年終時教授們對博士後進行評價，奧本海默堅持說庫珀物理概念不清，不適合繼續留在研究院進行博士後工作，主張讓他走人。楊振寧先生惜才，寫了封信把庫珀推薦給伊利諾伊大學香檳分校的巴丁教授。在那裡，巴丁、庫珀和施里弗合作成就了以他們姓氏命名的BCS超導理論（1972年諾貝爾物理獎），而庫珀電子對是其中的關鍵概念。庫珀後來就職於布朗大學，一直對高等研究院耿耿於懷，曾經打電話邀請戴森加盟布朗，對戴森說你怎麼還呆在那個破地方啊！
圖4：2011年12月，戴森夫婦助興幼兒園募捐活動，與筆者女兒聊天。
戴森樂於參與各種活動。筆者保存的照片里有戴森夫婦和筆者女兒聊天的鏡頭（圖4），那是研究院裡的幼兒園舉行募捐拍賣活動，戴森夫婦前來助興，捐贈的拍賣物品里包括他簽名的著作。得知戴森去世，筆者翻出這幾張照片拿給女兒看，當然在她眼裡，這只是兩位和藹的爺爺奶奶，她尚不了解兩位普通人不普通的故事。
戴森球
在天文相關領域，戴森最為大眾所知的，應該是冠以他名字的戴森球。戴森球源自他1960年6月3日在《科學》雜誌上的一篇短文：《搜索人造的恆星紅外輻射源》 [6]。在文中，戴森指出可以通過搜索有強紅外輻射的天體發現技術上達到高級階段的外星文明，並提出了戴森球的概念。戴森球的英文是「Dyson Sphere」，而非「Dyson Ball」，和戴森吸塵器乃天壤之別（圖5）。
圖5：此戴森球（Dyson Sphere）非彼戴森球（Dyson Ball）。
圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Dyson_sphere 和https://www.dyson.com/。
這篇短文的寫作背景是剛剛開啟的外星智慧生命探測。1959年，康奈爾大學兩位物理學家朱塞佩·可可尼（Giuseppe Cocconi）和菲利普·莫里森（Philip Morrison）在《自然》雜誌發表文章：《搜尋星際通訊》[7]。文章首次提出智慧生命可能會利用物理上獨特而普適的標準頻率進行星際通訊。其中一個選擇就是中性氫發出的21厘米輻射，利用射電望遠鏡在這個波段上搜索也許會探測到外星文明發出的信號。
當時在美國國立射電天文台的弗蘭克·德雷克（Frank Drake；就是提出公式估算銀河系內可能與我們接觸的高等文明數目那位）將這一提議付諸實施 。1960年，他利用位於西維吉尼亞州綠岸的一架26米口徑的射電望遠鏡對太陽附近的恆星鯨魚座τ（天倉五）和波江座ε（天苑四）在21厘米波段進行了近四個月的觀測。該項目以著名童話故事《綠野仙蹤》里奧茲國的公主命名，稱為奧茲瑪計劃[8]。雖然並沒有觀測到外星文明的信號，但這一項目標誌著地球人類利用現代科學和技術手段對外星文明探測的開端。
受到射電探測的啟發，戴森獨闢蹊徑，在他的文章里指出了另外一種尋找外星文明的手段。他考慮的是工業水平和技術水平遠遠超越我們，已經發展到非常先進階段的外星文明。戴森以類似太陽系的恆星系統為例，探討這類文明的發展歷程。目前人類能利用的物質局限在地球生物圈，大約5×1016千克，能量利用大約在1013瓦量級。而他考慮的高等文明能利用的物質可以在木星質量量級，大約2×1027千克，需要的能源則對應整個恆星（母星）的輻射功率，4×1026瓦。他指出，跨越物質和能源利用的這近12個量級其實無需多久——以每年1%的人口和工業增長率來算，三千年就可以了。這個時間看似很長，但和恆星壽命相比只是彈指一瞬。
這類文明對能源的需求可以通過行星工程實現：把類似木星的行星解體（所需能量也就是母星800年輻射的總能量），然後讓這些物質形成一個半徑為日地距離兩倍的殼層來充分截獲和利用母星的輻射能量。這個幾米厚的殼層適於居住，戴森稱之為人造生物圈。這就是後來被人們廣泛熟知的戴森球。
如果上述可能性成立，那從遠處的觀測者（我們）看來，隱於殼層里的母星在光學波段會變得很暗弱，但溫度在200-300開爾文的殼層則會在紅外10微米波段發出很強的輻射。基於地球大氣正好在這一波段附近透明，戴森建議應該搜索具有強紅外輻射的天體以期發現外星文明的跡象。這類搜索既可以和射電探測結合起來也可以單獨進行。
戴森的這篇文章自然引起了眾多讀者的興趣，《科學》雜誌刊登了三封讀者來信。對於讀者的問題，戴森進行了簡短的答覆[9]。他特別澄清，環繞母星的殼層並非鋼板一塊，那在力學上是不可能的。他設想的殼層是由運行在不同軌道上的大量物體構成。他沒有考慮如何去建造，因為紅外輻射和建造細節關係不大。自此以後，戴森球成了大家津津樂道的話題，戴森球的概念也有了各式各樣的變種（戴森群，戴森泡，戴森殼，戴森網等[10]），戴森球之類的超級建造出現在眾多科幻小說和影視作品中。類似戴森球級別的行星工程中，我們也許會想到《流浪地球》。其實在更合理的設定下，遠在讓地球流浪之前，我們人類文明可能已經能夠建造和利用戴森球了。
圖6：行星，恆星，星系級別的卡爾達肖夫文明類型能量操控尺度（依據卡爾·薩根修改後的定義），圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Kardashev_scale。
天文學家有分類癖，對天體和天文現象都喜歡分個I，II，III，a，b，c等各種類型。戴森討論的外星文明對應於卡爾達肖夫分類[11]中的II型文明。2019年去世的尼古拉·卡爾達肖夫（Nikolai Kardashev）是蘇聯和俄羅斯天文學家，他是甚長基線干涉（VLBI）技術最早的提出者和推動者之一。這一技術依靠全球射電天文望遠鏡的協同干涉觀測獲得等效於地球大小望遠鏡的極高空間解析度（對，正是該技術的應用讓我們去年能夠一睹M87星系中心大質量黑洞的芳容）。
1964年，卡爾達肖夫在《蘇聯天文學》雜誌上發表了一篇論文[12]，探討在射電波段探測外星文明。他根據能量的利用把文明化分為三個級別。I型是行星級文明，技術程度大致和我們目前類似，能量消耗在4×1012瓦量級。II型是恆星級文明，能量消耗在4×1026瓦量級，基本對應於太陽的輻射功率，也就是說這類文明能夠利用和控制恆星所能提供的能量。他特別提到的例子就是這類文明能成功建造戴森球。III型是星系級文明，可以擁有4×1038瓦的能量操控能力，對應於整個銀河系恆星的輻射功率。
這三個類型的文明之間跨度巨大，每一個能源利用的台階高達12個數量級（戴森文中實際上估算了從I型跨越到II型的時間尺度 ）。卡爾·薩根（Carl Sagan）建議修改和擴展卡爾達肖夫的分類[13]，把能源利用的台階變為10個量級的差別。I型文明的能量利用改為1016瓦，大約比地球上接受的太陽輻射小一個量級，II型還維持在1026瓦量級，III型是1036瓦（圖6）。這一修改還可以定義中間類型的文明，卡爾達肖夫文明類型K=(log10P-6)/10，其中P是以瓦為單位的能量利用率。按照這一定義，目前我們地球人類文明是0.73型。
對於「戴森球」這一名稱，戴森自己不以為然。他在《宇宙波瀾》一書中指出，科幻小說家們把這一概念歸功於他並不公平，恰恰相反，他的靈感來自奧拉夫·斯塔普爾頓（Olaf Stapledon）1937年的科幻小說《造星者》。當戴森聽到戴森球會是什麼反應呢？筆者在此分享一段親身經歷的軼事。
大約是2005年春天，普林斯頓高等研究院的天體物理組邀請加州大學洛杉磯分校的班傑明·朱克曼（Benjamin Zuckerman）來做學術報告，他在上世紀70年代曾是探測外星文明的奧茲瑪第二期項目的負責人之一。朱克曼報告了他在觀測恆星吸積方面的研究，戴森也在聽眾當中。基於報告人的經歷和研究，幻燈片里有兩頁提到了戴森球。朱克曼顯然注意到戴森也來了，所以當講到這兩頁的時候，特地提高嗓門，強調戴森兩字。很自然地，聽眾都齊刷刷地把目光投向了戴森看他的反應，但隨後都啞然失笑：戴森安靜地坐在座位上睡…著…了。:)
搜索戴森球和外星生命
戴森球聽起來很美妙，觀測上有何進展呢？一個完整的戴森球會讓母星黯然失色而發出溫度在幾百開爾文左右的近似黑體輻射，集中在紅外波段。一個在建的或不完整的部分戴森球也會導致紅外輻射疊加在母星光譜之上。自1985年以來，已經有一些在紅外巡天數據中尋找戴森球或部分戴森球的努力[14-16]。理察·卡里根[17]利用IRAS紅外衛星的全天巡天數據，分析了25萬個紅外源的低解析度光譜，得到了16個候選者，但大部分都存在合理的天體物理解釋（比如恆星演化後期塵埃的影響）。其中只有四個勉強可以稱得上疑似戴森球或部分戴森球。
IRAS數據可以靈敏到探測太陽周邊1000光年範圍內的戴森球，這個體積里有一百萬個類似太陽的恆星，所以上述的搜索結果表明戴森球即使存在也非常罕見。類似的觀測也被用來研究III型星系級文明的數量，這類文明星系量級的能耗會增強星系在中紅外波段的輻射，利用WISE望遠鏡的數據對近鄰星系的分析表明，此類文明同樣是即便存在也會特別罕見[18]。這些搜索結果不免讓人失望，莫非知音難覓，我們註定孤獨？但是如果劉慈欣科幻小說《三體》里的黑暗森林法則果真成立的話，謝天謝地謝星系，地球文明暫時無虞。
2015年，在「行星獵手」（Planet Hunters）這一調動志願者力量協助查看開普勒空間望遠鏡數據的平台，有一顆奇怪的恆星被發現了[19]。它在開普勒輸入星表中的編號是KIC8462852，後來又以分析發現的論文的第一作者Tabby Boyajian的名字命名。這是一顆距離我們近1500光年位於天鵝座的F型恆星，奇特之處是它存在難以理解的幅度可達22％的不規則的亮度變化。
自發現以來，許多可能性被提出來解釋這一現象，包括恆星本身的變化，恆星周圍不規則的塵埃環或行星彗星碎片，甚至太陽系裡小天體的遮擋等等，迄今尚無定論。可以想見，還有一種可能性也被提出來，就是外星文明進行的超級工程，正在建造戴森球（群）。然而，後續的觀測表明該星在紅外波段的輻射並沒有增強的證據[20]，基本排除了這一可能性。前幾個月，獵戶座肩頭那顆亮星參宿四亮度大幅降低，也有許多媒體把在建的戴森球列為一種可能性，其實更合理的解釋是這顆紅超巨星自身演化導致的變化。謹慎的天文學家們在排除各種可能的天體物理解釋之前，不會輕易而草率地宣布發現戴森球。
圖7：根據卡爾·薩根小說改編的電影《超時空接觸》，展現了在射電波段對外星文明的搜索。
尋找戴森球屬於統稱為搜索地外智慧生命（SETI[21]）計劃中的一部分，這一計劃大致分為兩類，探測星際通訊信號和搜索表征高等技術的物體和信號。前者主要集中在射電波段，是奧茲瑪項目的延續。根據薩根小說改編的科幻電影《超時空接觸》（Contact；圖7）反映的就是此類項目。目前比較有名的一個項目是富翁米爾納（Yuri Milner）資助的突破聆聽（Breakthrough Listen[22]），這個項目由北半球美國的100米口徑的綠岸望遠鏡和南半球澳大利亞的64米帕克斯望遠鏡負責觀測，我國的500米FAST望遠鏡也加入了合作。後一類探測主要集中在紅外和光學波段，信號包括類似戴森球的天文級別的工程，來自太陽系外行星的表征城市和文明的燈光或行星大氣里含有標誌工業化過程的成份。
當然，如果有天外來客，那就更好了。2017年，天文學家第一次發現了路過太陽系的星際天體奧陌陌（圖8），這顆尺寸上百米的天體的許多獨特性質（比如狹長的形狀，額外的加速度等）引發了人們無限遐想，媒體報導也煞有介事地把它畫成星際戰艦或飛船，其實它有更合理的天體物理解釋[23]。
目前，對太陽系外行星的發現、觀測和研究正如火如荼，其對外星生命搜索計劃具有重要的推動作用和指導意義。
圖8：揭示奧陌陌星際訪客身份的雙曲軌道（左；nagualdesign; Tomruen）和根據觀測特徵而進行的藝術創作（右；ESO/M. Kornmesser）。圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Oumuamua。
在探測外星文明的同時，人類文明也在走出去。上世紀70年代發射的旅行者1號和2號，先驅者10號和11號探測器，已經漫遊到了100多倍日地距離的地方。還有2006年發射的新視野號探測器，它們最終都將飛出太陽系踏上星際空間的旅程。兩艘先驅者號探測器上還安裝了鍍金鋁板，刻有地球和人類的信息。2016年米爾納，霍金和扎克伯格發起了突破攝星（Breakthrough Starshot）計劃[24]，準備發射1000個僅有幾克重帶有1米見方光帆的空間探測器，通過地面大功率雷射將它們加速到光速的20%，20到30年內飛至4.3光年之遙的比鄰星，近距離對其行星拍照並傳回地球。這已經有點小天文工程的意味了。戴森受邀加入了該計劃的管理和顧問委員會。
關於地外生命，戴森一直沒有停止思考。2003年他在《國際天體生物學雜誌》還發表了一個想法[25]，搜索太陽系裡行星衛星上，小行星上，還有柯伊柏帶天體上的生物。他認為，適應寒冷環境的生物可能會進化出匯聚陽光的類似透鏡或鏡面的系統。而沒有被吸收的光或者生物體輻射會通過這一系統形成較窄的光束反向射向太陽方向。他建議在背對太陽的方向去搜索這類亮斑從而發現地外生物。
除了物理學上的重要貢獻，戴森在天文學領域對地外生命和文明的思考激發了我們的想像力，值得回味。他貌似天馬行空腦洞大開，其實仔細想來，他所做的是基於一些合理假設下的探索，最為重要的一點，他強調的是觀測。所以戴森秉承的還是大膽假設小心求證的實證精神，這一點是我們科學探索外星生命和文明過程中應該遵循和堅持的。
草就此文，以示紀念。
作者簡介：鄭政，1996年北京大學地球物理系天體物理專業本科畢業，1999年中國科學院北京天文台碩士，2004年美國俄亥俄州立大學博士。曾在普林斯頓高等研究院和耶魯大學進行博士後研究工作。現為猶他大學物理和天文系副教授。研究興趣廣泛，主要方向為宇宙學，宇宙大尺度結構，以及星系形成和演化。
參考文獻：
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[5] 盧昌海, 《黎曼猜想漫談》.
[6] F.J. Dyson, Science, vol. 131, p. 1667, 1960.
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[9] F.J. Dyson, Science, vol. 132, p. 250, 1960.
[10] Dyson_Sphere, https://en.wikipedia.org/wiki/Dyson_sphere.
[11] Kardashev_Scale, https://en.wikipedia.org/wiki/Kardashev_scale.
[12] N.S. Kardashev, Soviet Astronomy, vol. 8, p. 217, 1964.
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[15] M. Yu. Timofeev, N.S. Kardashev, and V.G. Promyslov, AsAau, vol. 46, p. 655, 2000.
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[20] H. Meng et al., ApJ, vol. 847, p. 131, 2017.
[21] SETI, https://en.wikipedia.org/wiki/Search_for_extraterrestrial_intelligence.
[22] Breakthrough_Listen, https://en.wikipedia.org/wiki/Breakthrough_Listen.
[23] Y. Zhang and D.N.C. Lin, "https://doi.org/10.1038/s41550-020-1065-8," Nature Astronomy, 2020.
[24] Breakthrough_Starshot, https://en.wikipedia.org/wiki/Breakthrough_Starshot.
[25] F.J. Dyson, IJAsB, vol. 2, p. 103, 2003.
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