弗里曼·戴森：宇宙文明的设计者

彭永清

2020年2月28日，美籍英裔物理学家、数学家和作家，美国普林斯顿高等研究所名誉教授弗里曼·戴森在新泽西州普林斯顿附近的一家医院去世，享年96岁。戴森被冠以“传说中的理论物理学家”的称号，他一直致力于量子力学、原子力学和数学等多个领域的研究，并对宇宙的生命和智慧进行认真考察。其领导的“猎户座计划”和提出的“戴森球”（人造天体）理论，让全世界的少男少女为之心动。

从军的遗恨

1923年12月15日，戴森出生于英国东南部的伯克郡。从幼年时期起，戴森就非常喜欢钻研物理和数学问题。17岁时，戴森进入剑桥大学，跟随著名的数学家G.H.哈代研究数学。但是由于“二战”爆发，戴森被迫停止学业，入伍到英国皇家空军作战研究部门工作。那是一个原本从事战略研究的部门，可以说是英国皇家空军的首脑部门。在这里，戴森利用数学知识解析英国皇家空军轰炸机的损害状况，发现经验丰富的飞行员与初出茅庐的飞行员在战斗中的死亡率没有太大差别。虽然英国皇家空军官宣称飞行员经验越丰富，在与敌机相遇时越能够更迅速地向对方发起攻击，从而死亡率就越低，但戴森通过分析认为，这是一个错误结论。另外，戴森还向英国皇家空军提出，国产轰炸机如果不安装两个机关枪座的话，可以提高轰炸机的返回率。据戴森分析，机关枪座不仅无法有效抵御德国战机，而且还会使轰炸机的飞行速度下降。然而，戴森作为一名年轻的数学家，其研究结果和提案并未引起英国皇家空军干部的重视。当时，英国皇家空军干部们采取何种战略和方针，并非取决于这些战略和方针是否正确，而是具体的决策者是谁。年轻的戴森在他的上司面前可谓人微言轻、不值一提，因此他的正确提案根本没有让英国皇家空军高层采纳，也未能阻止英军之后对德国的大空袭。

1945年2月13日夜晚，英国皇家空军大编队对德国城市德累斯顿进行了大规模轰炸，造成约2.5万—6万名无辜民众身亡。这一人类历史上最大规模的空袭（几个月后被美国两次向日本投放原子弹刷新）令大量德国无辜平民丧生，而且令众多英国青年志士深感愧疚，同时也成为戴森一生中抹不去的遗恨。

与诺奖擦肩而过

“二战”结束后，无论是战胜国还是战败国的研究人员都重新回到了研究岗位。戴森也一样，到了美国康奈尔大学研究生院，跟随德国籍核物理学家汉斯·贝特教授从事物理研究工作。在1946—1948年的3年时间里，当时才20多岁的戴森就证明了哈佛大学教授施温格与东京文理科大学教授朝永振一郎发展的变分法方法，同康奈尔大学副教授费曼的路径积分法的等价性，为量子电动力学的建立做出了决定性贡献。1949年，戴森发表了重磅论文《朝永—施温格和费曼的电磁放射性理论》，从此量子电动力学诞生。但是，由于诺贝尔奖项最多只能由三人同时获得，因此，瑞典皇家科学院在1965年向朝永、施温格和费曼颁发诺贝尔物理学奖时，不得不将戴森排除在外。虽然之后戴森获得了无数奖项，但始终与诺贝尔奖无缘。

诺贝尔物理学奖得主杨振宁对戴森未能获得诺贝尔物理学奖曾表示了自己的看法，他认为，诺贝尔评奖委员会因为没有同时承认戴森的贡献而铸成了大错。朝永、施温格、费曼并没有完成重正化纲领，他们只做了低阶的计算；只有戴森敢于面对高阶计算，并使这一纲领得以完成。在他那两篇极富洞察力的高水平论文里，戴森指出了这种非常困难的分析的主要症结所在并且解决了问题。他定义了本原发散性、骨架图以及重叠发散等概念，并且利用这些概念对问题作了深刻分析，完成了量子电动力学可以重正化的证明。

领导“猎户座计划”

1958年，戴森作为核心成员加入到美国NASA重返月球的“猎户座计划”中。该计划是一项旨在直接以探测器后方一连串的原子弹爆炸来驱动（核脉冲推进），即利用少量的核燃料产生的巨大能量来作为火箭推力的航天器研究计划。它肩负着各项使命，其中有一个宏大的星际计划，包括防御小行星和太空采矿。当时，该设计计划于1965年实现火星登陆、1970年到达土星，可谓是一项极其大胆的计划。

现在使用的化学火箭，其大部分体积被燃料箱占据，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来举起沉重的燃料箱和庞大的燃料，所以即使花费了巨大的燃料，送到宇宙空间的有效载荷也少得可怜。不过，如果使用核动力火箭，由于燃料变得非常轻，因此对火箭的飞行几乎不造成影响。这样，核燃料可以更加有效地推进火箭本体更快飞行至更远的太空。而且，使用核动力火箭还可能将“太空殖民地”那样的巨大建筑物带入太空，如将酒店那样环境舒适的住宅区送入火星、土星或更远的太空，甚至可能成为往返于恒星之间的宇宙飞船。

但是，由于该计划存在放射性污染的危险，随着1963年8月5日《部分禁止核试验条约》（该条约禁止在宇宙空间进行核实验，而核火箭研发就属于条约禁止的内容）的颁布并生效，该计划事实上已经结束。不过戴森认为，即使没有颁布该条约，“猎户座计划”也未必能够成功。核火箭在通过小型核炸弹连续爆炸产生的推力不断飞行时，抛弃的放射性废物会对环境造成污染。通过计算，戴森得出了核火箭致癌死亡率增加的结论，因此认为应该放弃此计划。戴森对于加入该计划并工作了15个月的经历感觉很好，称那是“自己在研究生涯中度过的最激动人心、具有多重意义的幸福时光”。

1960年，当时在普林斯顿高等研究院工作的戴森提出了一个大胆而且充满诱惑力的方案，即一种利用足够先进的技术来实现无限燃料供应的构想。戴森认为，像地球这样的行星，本身蕴藏的能源是非常有限的，远不足以支撑其文明发展到高级阶段，而一个恒星所产生的绝大部分辐射能都被浪费掉了。目前人类能从太阳系各行星接收到的辐射能可以说是微乎其微。而一个高度发达的文明，必然有能力将太阳用一个巨大的球状结构包围起来，使得太阳的大部分辐射能量被截获，以长期支持这个文明，使其发展到足够的高度。这一被称为“戴森球”的构想，指的是一个足够发达的文明通过建造一个由接受器和能量转换器构成的球，就可以最大限度地利用目标恒星的能量。

但是，实现这一目标的前提是人类文明要达到远比现在发达的水平。因此，就目前而言，戴森的这一构想只能是一种“奇想”，虽然理论上可行，但实际上难于上青天。作为一名理论物理学家，戴森还写了数部优秀的随笔和科学论文，以谦逊的笔触发表了对宇宙的各种猜想，受到众多少男少女甚至中老年人的喜爱，令他们对人类未来开发利用宇宙资源确信无疑。

极富想象力的科学家

戴森是一个富有想象力的科学家，他梦见了人类文明有一天已经扩展到整个宇宙。不仅仅是梦见，戴森还提出了利用基因工程学培育植物以及在彗星居住的太空移民等佐证科学见解与自由猜想的诸多方案。戴森认为，在考虑宇宙长远的未来是怎样的景象时，必须正视智慧生命的作用。他说，我们不是单纯的观察者，应该成为宇宙的主人公。自然法则的构成，是尽可能将宇宙变得生动有趣。

戴森还是一个注重解决现实问题的人。他参与了早期原子反应堆和核动力飞船的研发。以他为主导开发的小型反应堆已经被医疗和研究机构用来制造放射性同位素。同时，他还竭力主张废除核武，以常规武器来扩充军备。

想象力极其丰富的戴森，也是一个宽容和颇有人情味的人。1976年，戴森被选为普林斯顿市审议会委员，参与是否同意普林斯顿大学建立转基因研究所的討论。该委员会有11名市民参加，其中有牧师、摄影家和黑人领袖等三人对此表示强烈反对。他们认为，建立转基因研究所不仅危害公共卫生，而且会受到伦理谴责。作为委员会中的一员，戴森理解并倾向于三人的想法，因此希望在正反两派中寻找到妥协点。经过长达9个月的讨论，普林斯顿市政府最终决定禁止建立这个绝无仅有的转基因研究项目。尽管次年在多数派的强烈要求下，普林斯顿政府同意普林斯顿大学进行在一定条件下的转基因研究，但戴森为妥善解决此项目的争议所做的努力是有目共睹的。