弗里曼·戴森：宇宙文明的設計者

彭永清

2020年2月28日，美籍英裔物理學家、數學家和作家，美國普林斯頓高等研究所名譽教授弗里曼·戴森在新澤西州普林斯頓附近的一家醫院去世，享年96歲。戴森被冠以“傳說中的理論物理學家”的稱號，他一直致力于量子力學、原子力學和數學等多個領域的研究，并對宇宙的生命和智慧進行認真考察。其領導的“獵戶座計劃”和提出的“戴森球”（人造天體）理論，讓全世界的少男少女為之心動。

從軍的遺恨

1923年12月15日，戴森出生于英國東南部的伯克郡。從幼年時期起，戴森就非常喜歡鉆研物理和數學問題。17歲時，戴森進入劍橋大學，跟隨著名的數學家G.H.哈代研究數學。但是由于“二戰”爆發，戴森被迫停止學業，入伍到英國皇家空軍作戰研究部門工作。那是一個原本從事戰略研究的部門，可以說是英國皇家空軍的首腦部門。在這里，戴森利用數學知識解析英國皇家空軍轟炸機的損害狀況，發現經驗豐富的飛行員與初出茅廬的飛行員在戰斗中的死亡率沒有太大差別。雖然英國皇家空軍官宣稱飛行員經驗越豐富，在與敵機相遇時越能夠更迅速地向對方發起攻擊，從而死亡率就越低，但戴森通過分析認為，這是一個錯誤結論。另外，戴森還向英國皇家空軍提出，國產轟炸機如果不安裝兩個機關槍座的話，可以提高轟炸機的返回率。據戴森分析，機關槍座不僅無法有效抵御德國戰機，而且還會使轟炸機的飛行速度下降。然而，戴森作為一名年輕的數學家，其研究結果和提案并未引起英國皇家空軍干部的重視。當時，英國皇家空軍干部們采取何種戰略和方針，并非取決于這些戰略和方針是否正確，而是具體的決策者是誰。年輕的戴森在他的上司面前可謂人微言輕、不值一提，因此他的正確提案根本沒有讓英國皇家空軍高層采納，也未能阻止英軍之后對德國的大空襲。

1945年2月13日夜晚，英國皇家空軍大編隊對德國城市德累斯頓進行了大規模轟炸，造成約2.5萬—6萬名無辜民眾身亡。這一人類歷史上最大規模的空襲（幾個月后被美國兩次向日本投放原子彈刷新）令大量德國無辜平民喪生，而且令眾多英國青年志士深感愧疚，同時也成為戴森一生中抹不去的遺恨。

與諾獎擦肩而過

“二戰”結束后，無論是戰勝國還是戰敗國的研究人員都重新回到了研究崗位。戴森也一樣，到了美國康奈爾大學研究生院，跟隨德國籍核物理學家漢斯·貝特教授從事物理研究工作。在1946—1948年的3年時間里，當時才20多歲的戴森就證明了哈佛大學教授施溫格與東京文理科大學教授朝永振一郎發展的變分法方法，同康奈爾大學副教授費曼的路徑積分法的等價性，為量子電動力學的建立做出了決定性貢獻。1949年，戴森發表了重磅論文《朝永—施溫格和費曼的電磁放射性理論》，從此量子電動力學誕生。但是，由于諾貝爾獎項最多只能由三人同時獲得，因此，瑞典皇家科學院在1965年向朝永、施溫格和費曼頒發諾貝爾物理學獎時，不得不將戴森排除在外。雖然之后戴森獲得了無數獎項，但始終與諾貝爾獎無緣。

諾貝爾物理學獎得主楊振寧對戴森未能獲得諾貝爾物理學獎曾表示了自己的看法，他認為，諾貝爾評獎委員會因為沒有同時承認戴森的貢獻而鑄成了大錯。朝永、施溫格、費曼并沒有完成重正化綱領，他們只做了低階的計算；只有戴森敢于面對高階計算，并使這一綱領得以完成。在他那兩篇極富洞察力的高水平論文里，戴森指出了這種非常困難的分析的主要癥結所在并且解決了問題。他定義了本原發散性、骨架圖以及重疊發散等概念，并且利用這些概念對問題作了深刻分析，完成了量子電動力學可以重正化的證明。

領導“獵戶座計劃”

1958年，戴森作為核心成員加入到美國NASA重返月球的“獵戶座計劃”中。該計劃是一項旨在直接以探測器后方一連串的原子彈爆炸來驅動（核脈沖推進），即利用少量的核燃料產生的巨大能量來作為火箭推力的航天器研究計劃。它肩負著各項使命，其中有一個宏大的星際計劃，包括防御小行星和太空采礦。當時，該設計計劃于1965年實現火星登陸、1970年到達土星，可謂是一項極其大膽的計劃。

現在使用的化學火箭，其大部分體積被燃料箱占據，因此需要巨大的能量才能克服重力上升。由于大部分的能量都被用來舉起沉重的燃料箱和龐大的燃料，所以即使花費了巨大的燃料，送到宇宙空間的有效載荷也少得可憐。不過，如果使用核動力火箭，由于燃料變得非常輕，因此對火箭的飛行幾乎不造成影響。這樣，核燃料可以更加有效地推進火箭本體更快飛行至更遠的太空。而且，使用核動力火箭還可能將“太空殖民地”那樣的巨大建筑物帶入太空，如將酒店那樣環境舒適的住宅區送入火星、土星或更遠的太空，甚至可能成為往返于恒星之間的宇宙飛船。

但是，由于該計劃存在放射性污染的危險，隨著1963年8月5日《部分禁止核試驗條約》（該條約禁止在宇宙空間進行核實驗，而核火箭研發就屬于條約禁止的內容）的頒布并生效，該計劃事實上已經結束。不過戴森認為，即使沒有頒布該條約，“獵戶座計劃”也未必能夠成功。核火箭在通過小型核炸彈連續爆炸產生的推力不斷飛行時，拋棄的放射性廢物會對環境造成污染。通過計算，戴森得出了核火箭致癌死亡率增加的結論，因此認為應該放棄此計劃。戴森對于加入該計劃并工作了15個月的經歷感覺很好，稱那是“自己在研究生涯中度過的最激動人心、具有多重意義的幸福時光”。

1960年，當時在普林斯頓高等研究院工作的戴森提出了一個大膽而且充滿誘惑力的方案，即一種利用足夠先進的技術來實現無限燃料供應的構想。戴森認為，像地球這樣的行星，本身蘊藏的能源是非常有限的，遠不足以支撐其文明發展到高級階段，而一個恒星所產生的絕大部分輻射能都被浪費掉了。目前人類能從太陽系各行星接收到的輻射能可以說是微乎其微。而一個高度發達的文明，必然有能力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，以長期支持這個文明，使其發展到足夠的高度。這一被稱為“戴森球”的構想，指的是一個足夠發達的文明通過建造一個由接受器和能量轉換器構成的球，就可以最大限度地利用目標恒星的能量。

但是，實現這一目標的前提是人類文明要達到遠比現在發達的水平。因此，就目前而言，戴森的這一構想只能是一種“奇想”，雖然理論上可行，但實際上難于上青天。作為一名理論物理學家，戴森還寫了數部優秀的隨筆和科學論文，以謙遜的筆觸發表了對宇宙的各種猜想，受到眾多少男少女甚至中老年人的喜愛，令他們對人類未來開發利用宇宙資源確信無疑。

極富想象力的科學家

戴森是一個富有想象力的科學家，他夢見了人類文明有一天已經擴展到整個宇宙。不僅僅是夢見，戴森還提出了利用基因工程學培育植物以及在彗星居住的太空移民等佐證科學見解與自由猜想的諸多方案。戴森認為，在考慮宇宙長遠的未來是怎樣的景象時，必須正視智慧生命的作用。他說，我們不是單純的觀察者，應該成為宇宙的主人公。自然法則的構成，是盡可能將宇宙變得生動有趣。

戴森還是一個注重解決現實問題的人。他參與了早期原子反應堆和核動力飛船的研發。以他為主導開發的小型反應堆已經被醫療和研究機構用來制造放射性同位素。同時，他還竭力主張廢除核武，以常規武器來擴充軍備。

想象力極其豐富的戴森，也是一個寬容和頗有人情味的人。1976年，戴森被選為普林斯頓市審議會委員，參與是否同意普林斯頓大學建立轉基因研究所的討論。該委員會有11名市民參加，其中有牧師、攝影家和黑人領袖等三人對此表示強烈反對。他們認為，建立轉基因研究所不僅危害公共衛生，而且會受到倫理譴責。作為委員會中的一員，戴森理解并傾向于三人的想法，因此希望在正反兩派中尋找到妥協點。經過長達9個月的討論，普林斯頓市政府最終決定禁止建立這個絕無僅有的轉基因研究項目。盡管次年在多數派的強烈要求下，普林斯頓政府同意普林斯頓大學進行在一定條件下的轉基因研究，但戴森為妥善解決此項目的爭議所做的努力是有目共睹的。