【元素家族——連載94】壓榨太陽

宇宙是由物質和能量組成的，人類的生活和發展需要各種各樣的物質，更需要能源提供能量，進入工業時代以後，能源更成為社會發展的重要問題。

最早，人類使用的是生物能源，比如人們燃燒柴火獲得熱量，人們吃下動物、植物做的美味佳肴，維持生命代謝。在氧篇章里，我們提到，植物的能量來自光合作用，歸根到底是來自太陽，動物的能量來自於植物，所以追其溯源生物能源都是太陽能。

進入工業時代，人們開始大規模利用化石能源，比如石油、煤和天然氣。現在的理論認為，這些化石能源都是上億年前的植物化石，也就是說，我們利用的是幾億年前的太陽能。

現在我們還利用水力來發電，可以這麼理解，我們連續利用的水力實際上是水循環的引力能，水循環的源動力就來自於太陽。太陽照射到大海，讓水蒸騰上天，變成雲，再降下雨水到陸地，人們截獲了其中一小部分，這就是水力。

風力發電近年來也很熱，風能一部分來自於地球自轉的科里奧利力，另一部分和水力類似，太陽輻射造成大氣圈冷熱不均，氣壓不平衡，流動起來就形成了風。

【瑰麗的太陽，是我們星球，我們文明發展的源動力。】

在地球上，除了地熱能跟核能之外，我們利用的大部分能源都來源於太陽能，但都經過了轉化過程。每一次轉化都會造成能量的損失，如果是人為的轉化，還會造成環境的污染。人們都希望能夠直接利用太陽能，那將是令人興奮的事情。

利用太陽能早已有之，愛斯基摩人利用冰制的凸透鏡取火，太陽灶也算，這些都是將光能轉化成熱能的例子。熱能不容易輸送，如果要大規模利用，還得轉化成電能。能不能將光能直接轉化成電能呢？

1839年，法國物理學家貝克勒爾發現，將兩個同樣的電極浸在電解液中，其中一個被光照射，在兩電極間會產生電勢差，這被稱為貝克勒爾效應。

1887年，德國物理學家赫茲發現了光電效應，愛因斯坦因為解釋這個現象而獲得了諾貝爾獎，這個現象也是顯像管電視機的原理。

【愛因斯坦怎麼可能沒有獲得過諾貝爾獎？然而他獲得諾貝爾獎的原因不在於他參與的量子力學，跟他一手提出的相對論也沒有絲毫關係，只是一個「小小」的光電效應。】

這些現象都說明光能轉化成電能是可能的，但是要轉化成可控的電流，還要等到半導體技術的出現。

上一節我們提到，在單晶硅里摻入硼或磷等雜質，可以得到P型半導體和N型半導體。讓二者緊密接觸，由於P型半導體缺電子，N型半導體多電子，就會出現濃度差。N區的電子會擴散到P區，達到平衡後，這個交界面兩側就生成了電勢差，界面的P型一側帶負電，N型一側帶正電，這就是PN結。

當太陽光射到PN結上時，一定能量的光子可以將電子從硅的共價鍵中激發出來，成為自由電子。自由電子在PN結的電勢差作用下定向流動，可控的電流成為可能。這被稱為「光生伏特效應」，意思是光能產生了電壓，現在我們說的「光伏」就是這個意思。

【「光生伏特效應」的原理圖。】

此處插播一條廣告：「不用風，不用水，也不用等上一億年！一億年！只要你擁有一台硅元素的太陽能光伏電池，你就可以馬上直接使用太陽能！」

【太陽能熱水器正在走入尋常百姓家。】

【浙江衢州的太陽能發電場，還有很多城市的郊區有這樣的發電場，絕對無污染。】

【太陽能汽車以後會大規模使用嗎？】

【國際空間站使用的太陽能電池板，現在的人類還不可能攜帶很多能源上天，在太空中，太陽能是天然的能源。】

今後太陽能將如何發展？要知道，太陽光朝向四面八方發射，不會因為我們所處地球而有偏私。所以我們不過是在地球上截獲那一小部分的太陽光呢，我們要不要更加貪婪一點？

1960年，美國物理學家戴森提出：一顆行星的能源是極其有限的，一個高度發達的文明，一定會有能力建造一個球將恆星完全包裹起來，獲得恆星所有輻射的能量。這個球就被稱為「戴森球」。

【戴森球：用矽片包裹恆星！】

這個想法看似異想天開，卻有人把它和暗物質聯繫起來。天文學家很早就發現，遙遠星系的運動規律似乎並不符合萬有引力定律，因此要麼修改萬有引力常數G，並假設常數G會變動，要麼就必須假設有一些我們看不到的物質存在，這就是「暗物質」。根據測算，宇宙中的暗物質比我們能看見的正常物質要多得多，占整個宇宙的26.9%，而我們能看到的物質只有4.9%。

當戴森球提出之後，人們立刻想到，會不會是宇宙中存在很多高科技文明，他們已經建立了很多戴森球，包裹住了大部分恆星，作為他們的能源倉庫。因此，很多恆星雖然我們看不到，但是他們的引力依然存在。

【宇宙的暗物質分布3D圖，究竟是暗物質還是戴森球？我們還是先把自己的戴森球建起來再說吧。】

無獨有偶，1964年，蘇聯天文學家尼古拉·卡爾達舍夫設想了外星文明的級別：

類型I ：該文明是行星能源的主人，這意味著他們可以主宰整個行星能源的總和。

類型II ：該文明能夠收集整個恆星系統的能源。

類型III ：該文明可以利用銀河系系統的能源而為其所用。

【卡爾達舍夫的文明級別理論，類型II文明和戴森球不謀而合。】

按照這個說法，我們人類還遠遠沒有達到類型I的標準，只能是第零級文明。我們太過渺小，連在宇宙中這顆只算塵埃的地球的能源還沒有能力完全利用起來，更不用談得上利用整個恆星的能源。

然而現在，我們似乎看到了我們「大躍進」跨入類型II文明的方法，建造一個戴森球，將太陽包裹起來，（也許會留一個孔對著地球，讓它按照地球的公轉角速度來旋轉，讓我們仍然能看到太陽。）這將是一個怎樣浩大的工程，又將帶給我們一個怎樣美好的未來。要知道，地球能接收到的太陽輻射能量僅僅是太陽總輻射量的10^9分之一。如果能成功建造戴森球，也不用去研究什麼低溫核聚變了，天上本來就有那麼大一個核聚變的工廠——太陽啊，這個工廠足夠大，也足夠安全，已經安全運轉了50億年，還可以繼續安全運轉約50億年。我們要做的只是將地球上的硅提煉出來，做成矽片薄板，送上天去收集太陽的能量，把它所有的能量都壓榨乾凈！

現在的問題是我們地球上有沒有這麼多硅？地球能不能承受化學提煉硅的污染？

【想像圖，戴森球正在施工建造。】