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对《戴森球计划》中科学技术的考据分析

2021-04-03 17:07:26 9点赞 9收藏 0评论

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戴森球计划》我也玩了100多个小时了,经常玩着玩着就后半夜两三点了,是款实打实的时间消失模拟器。但玩的过程中我也注意到很多有趣的设定,比如一些名词术语、材料合成、未来科技什么的,好像有点来头。我自己查了一些资料,发现游戏的设定其实非常硬核。


本文就来梳理其中一些游戏中出现的科学技术,虽然对玩游戏本身没啥帮助,但也希望能从另一个角度,带大家了解这款游戏的魅力。


1、戴森球是什么


虽然机核已经发过“戴森球”的科普电台了,但我还是先介绍下什么是“戴森球”。戴森球是弗里曼·戴森在1960年提出的一种假想人造天体,用它把太阳包起来,这样就能高效地利用太阳能,不仅能让人类拥有接近无限的能源,还能让地球变成能够利用整个恒星资源的二型文明。

对《戴森球计划》中科学技术的考据分析弗里曼·戴森

科学家和科幻作家们提出了几种不同形态的戴森球,比如戴森云、戴森泡、戴森壳。但有人就质疑:这些设计不合理啊!

对《戴森球计划》中科学技术的考据分析

比如造个半径1天文单位(149,597,870千米)的戴森壳,整个太阳系的材料加起来只能造个很薄的,来个流星或者彗星一撞就散架了,这不行啊!而且一个比太阳还大的壳体结构,存在很严重的力学问题。比如太阳活动可能会造成壳体偏移,不及时纠正,就会和恒星撞一块,戴森壳本身的应力结构也特别复杂。


游戏制作组显然也知道这些问题,还结合玩法给出了解决方案。


对于材料不够的问题,我们在游戏中可以解锁曲速航行,到其他恒星系去搜集资源,其中一些稀有资源还能让我们更高效地合特定的材料,这也是游戏中后期非常重要的玩法。对于受力问题,游戏中有个叫做“戴森球应力系统”的科技,每次升级都能让戴森球变得更稳定,同时让壳体的修建纬度提高15°,但需要消耗巨量的资源。

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不过戴森提出这个假设的本意,也不是提倡大家倾太阳系之力去造这么个东西。他觉得如果有外星人也发展到了二型文明,那他们是有可能造出戴森球的。因为戴森球会导致恒星系的红外辐射增加,那我们就可以通过观测这种异常的红外辐射,推测哪个星系有可能存在地外文明。


2、太阳帆和电磁炮


游戏中我们可以建造戴森云和戴森壳。戴森云是由数以万计的太阳帆组成的,太阳帆的面积很大,能吸收太阳能,再传输回母星。制造太阳帆的材料有石墨烯和光子合并器,这两种材料并不是随便搭的。

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太阳帆在宇宙中会同时受到太阳引力和光压的作用。阳光照到物体上也会产生一个微小的力,这就是光压,但因为人的面积太小了感受不到。引力和光压成一定比例,太阳帆就能绕着太阳公转,但这就要求太阳帆的质量非常小。石墨烯是一种人造的轻质材料,用来制作太阳帆其实挺合适的。


研究“光子变频”可以制造光子合并器,作用是把几个低能光子转换成一个高能光子。光子我们可以理解为太阳光,它的能量和频率是相关的,频率越高,能量就越高,抗干扰性就越强,传回母星的损耗也就越少。所以光子合并器应该就是太阳帆上转化并传输能量的设备了。


图标里面还有个彩蛋,量子力学里面,光既有波动性也有粒子性,频率越高,光的粒子性就越明显。所以这个图标左侧就代表了变频前更偏波动性光子,右侧代表了变频后更偏粒子性的光子。

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太阳帆是靠电磁炮打到恒星轨道上的,但并不是造好电磁炮就能不停地发射,游戏中电磁炮的仰角范围是5°~60°,所以即使正对着太阳,角度不在这个范围内,也是不能发射的。不过我们是可以根据行星的轨道参数,合理摆放电磁炮的位置,提高发射效率。


3、哈希块和主脑矩阵


游戏中解锁科技要消耗5种矩阵,计算一种叫做“哈希块”的东西。了解区块链和挖矿的人对“哈希”这个词儿肯定不陌生。我们可以把它简单理解成运算量,哈希率就是计算的速度或者矿机的算力。通过科技升级,还可以提高研究速度,每次增加60Hash/秒,这个单位跟现实中也是一样的。但是感觉上这个数值明显被制作组调整过的,比如研究6级的戴森球应力系统需要计算1.26M个哈希块,被黄牛买断货的RTX3080的哈希率能达到90MH/s,不到一秒就算完了。


游戏中升级科技还需要用到5种主脑矩阵,每一种可能都代表了物理学的一个分支:


  • 蓝色的电磁矩阵是电磁学;

  • 红色的能量矩阵对应了热力学;

  • 黄色的结构矩阵可能是经典力学;

  • 紫色的信息矩阵不明显,但从描述中感觉像是信息论或者应用物理;

  • 绿色的引力矩阵涉及到超光速航行,描述上说它调和了量子场论和广义相对论,所以应该对应了量子力学和相对论。

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而达成通关条件的白色宇宙矩阵是由这五种矩阵加反物质合成的。再结合“它们是一种物质”这句话,是不是暗示着这个能造出伊卡洛斯的文明,已经找到了物理学的大一统方程呢?


虽然说这几种矩阵是游戏中最让人摸不着头脑的东西,但或许它们本身就寄托着人类能够发现宇宙终极规律的理想吧!

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4、卡西米尔晶体


游戏后期需要制造非常多的量子芯片,要用到一种叫做“卡西米尔晶体”的材料。虽然是游戏中虚构的物质,但文字介绍中提到的“卡西米尔效应”是真实存在的。

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它的理论基础是真空并不是什么都没有,还充满着一种“零点能”。观测不到粒子,是因为它们的场都处于能量最低的状态,物理学家们也是花了好久才意识到“真空不空”。举个例子来说,宇宙的真空状态就像是一片平静的湖面,但离近了看,它是有微小的涨落的,时不时还能溅起个水花啥。

对《戴森球计划》中科学技术的考据分析

如果我们在真空中放两块平行的金属板,只要它俩的距离小到纳米级,中间一些波长太长的零点能就会被排挤出去,外侧不变,就会产生一个向内的吸引力,在某种条件下,还可能产生排斥力。

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如果把金属板换成做电路板用的硅材料,卡西米尔效应也是存在的,所以也有望用它来制作更小的计算机芯片。这可能就是游戏中用卡西米尔晶体来制作量子芯片的根据。

这个图标里面也有彩蛋,就是卡西米尔效应的原理图。这两边的正弦波代表波长更完整的零点能,中间就代表了波长缺失的零点能。

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用卡西米尔晶体可以合成另一种材料——位面过滤器,也跟量子力学有关系。在微观世界中,粒子的速度和位置是不确定的,这个状态可以用波函数来描述,可一旦进行人为观测,其中一个量就确定了,这就是波函数坍缩。如果用薛定谔的猫来解释,波函数就是打开箱子前没法确定猫是死是活的状态,波函数坍缩就是打开箱子后确定死活的状态。游戏中位面过滤器的作用是干扰波函数,让它朝着我们期待的方向坍缩,增加微观粒子某个量的确定性,也是一种未来科技。文字介绍最后也吐槽了一句:善加利用此项技术,或许对猫是一件好事。

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5、狄拉克逆变


游戏中研究反物质燃料和人造恒星的过程中,有一项科技叫做“狄拉克逆变”。狄拉克是著名的量子物理学家,预言了正电子和单磁极的存在,这两个东西在游戏里也有,算是一种致敬。后来科学家们发现了反物质和湮灭现象,证实了他的预言。

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很多游戏也会用到湮灭这个设定,正物质和反物质相撞就会产生超高能量的γ粒子,是人类目前已知最高效的能源形式。比如《死亡搁浅》中的虚爆就是一种湮灭现象。“狄拉克逆变”实际上就是湮灭的反过程,把游戏中代表伽马粒子的临界光子,分解成氢原子和相应的反物质,之后就可以利用它们制作反物质燃料了。

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6、奇异物质


“奇异物质”、“引力透镜”和“空间翘曲器”得放一块说。

对《戴森球计划》中科学技术的考据分析

游戏中出现的“奇异物质”可能代表了两种东西。第一种更像是中子星物质。在巨大的压力下和聚变能量下,原子中的电子和质子会结合成中子,形成内核致密的中子星。那如果压力能大到击垮中子间的相互作用力,中子内部一些更基本的夸克就会变成奇异夸克,也就是我们说的奇异物质了。


游戏中通过重氢聚变压缩铁蒸汽,来制造奇异物质的方式,应该就是在模拟中子星。

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那可想而知,这种奇异物质的密度也很大,就会产生很大的引力负压。一束光如果经过这样的物质,会在引力场的作用下发生弯折,就像光通过透镜会改变传播方向一样,所以这种现象被称作“引力透镜效应”。科学家们就可以通过这种效应来研究类似黑洞这种密度超大的天体。这也是为什么游戏中可以用奇异物质造引力透镜了。

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第二种奇异物质跟超光速航行相关。空间翘曲器是游戏中曲速航行的材料,可以用引力透镜或者引力矩阵来制造。曲速航行在很多科幻作品中都出现过,比如《三体》和《星际迷航》,它的起源是一种叫做阿库别瑞引擎的构想。


简单理解就是让飞船前方的空间压缩,后方的空间膨胀,飞船就能够非常快速甚至超光速航行。而且这种方式也不违背相对论中物体速度不可超过光速的限制,因为严格意义上来说飞船没动,是飞船所在的空间扭曲了。

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但是要实现曲速航行,在计算中就会引入“负质量”的概念。那也有人把这种具有“负质量”的假想物质称作“奇异物质”,这就是刚才提到的第二种奇异物质。所以说制作组要么是概念上出现了混淆,要么是把它们合二为一了。毕竟要是再弄个“负质量”材料生产线,那玩家的肝就真的爆了。


7、主序星


在开始游戏前,系统会让我们选择“星团种子”,生成这一局的星图,上面大大小小五颜六色的球就代表了一个个恒星。颜色不同,说明恒星的表面温度不同,可以按“光谱型”来划分:

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  • 红色对应了M和K型,也叫红矮星;

  • 黄色对应了G和F型,也叫做黄矮星,我们的太阳就是一颗G型恒星;

  • 白色对应了A型,好像没有什么别名,但我们熟悉的天狼星、牛郎星、织女星就属于这一类;

  • 蓝色对应了B和O型,也叫蓝巨星,它们一般很大也很热,是夜空中最亮的星。

对《戴森球计划》中科学技术的考据分析

由红到蓝越往后,说明恒星的表面温度越高。如果把所有的恒星表面温度当横轴,光度当纵轴重新排列,就近似得到了现实中“赫罗图”的一部分,这条对角线叫主星序。它对于研究恒星演化非常重要。

对《戴森球计划》中科学技术的考据分析

主星序上的恒星被称作“主序星”,它们正处于青壮年时期,人类观测到的恒星90%都落在这个范围。在这个阶段,恒星外围物质因为自身重量产生向内的压力,但内核因为氢原子聚变成氦原子,产生很高的热量,从而产生由内向外的支撑力,两个力相互抗衡就能维持形态稳定。

对《戴森球计划》中科学技术的考据分析

沿着对角线越往上,恒星的质量、体积、光度、表面温度就越大,但相应的寿命也越短。这是因为,质量越大的恒星内部的氢消耗得越快,所以能维持稳定的时间就更短。游戏中的恒星也遵循这个规律。比如质量0.61的红矮星寿命已经达到了98亿年,但所有质量10以上的蓝巨星就没有超过1亿年的。

对《戴森球计划》中科学技术的考据分析

也有玩家发现了游戏和现实中不一样的地方,比如恒星的半径和光度、行星的轨道半径之类的,和现实中差出好几个数量级。这是制作组为了照顾大家的游戏体验,特意压缩了数值。


比如在现实的赫罗图上,蓝巨星的光度能达到太阳的上万倍,但在游戏中最大也没超过2.5倍。毕竟要是真的还原了,先不说显卡遭不遭得住,我们的钛合金狗眼估计瞬间就瞎了,以后就是货真价实的星际玩家了。

对《戴森球计划》中科学技术的考据分析


8、主序之外


除了主序星,游戏中还有少数的“稀有精英”恒星,比如两颗红巨星和白矮星,只有一颗的中子星和黑洞。它们分布在主星序的两侧,代表着恒星在暮年和死亡后的状态。

对《戴森球计划》中科学技术的考据分析主序之外的恒星(还有红巨星)

红巨星是大部分恒星脱离主序后的第一阶段。恒星在稳定燃烧的阶段,外围物质因为重力产生向内的压力,内核的氢会聚变成氦,产生向外的支撑力,两个力相互对抗,恒星才能维持形态稳定。但当氢全部聚变成氦,这个支撑力就没有了,压力大于支撑力,恒星就像内压缩。

对《戴森球计划》中科学技术的考据分析

但压缩又会导致恒星内部的温度升高,超过了聚变的临界温度,内核周围的氢也开始发生聚变,温度进一步提高,氢和氦还会发生新的聚变反应,产生碳和氧。这个阶段支撑力大于压力,恒星又开始急速膨胀。


膨胀又导致温度下降,恒星表面温度降低,变成了红色。这时候的恒星又大又红,所以就被称作红巨星了。这种膨胀收缩会重复好几次,过程中呢就会把大量的物质抛洒出去,变成星云。最后物质所剩无几了,内核就会变成白矮星,代表了恒星的死亡。

对《戴森球计划》中科学技术的考据分析

白矮星还会持续发光发热一段时间(这里涉及到电子简并态就不展开讲了),它的表面温度非常高,但表面积太小了,所以整体光度很低,不容易被观测到。游戏星图中虽然标出了白矮星的位置,但它的光芒非常暗淡,要很仔细才能在找到。


白矮星也不是恒星唯一的终点。红巨星是出色的炼金术师,而且质量越大,段位越高,压缩聚变过程中能“炼出”的新元素种类就越多,蓝巨星甚至还能聚变出铁。一些质量更大的红超巨星还会发生超新星爆发,就像来了一发星际礼花,把更重的元素比如铂、金抛洒到宇宙中,这已经不是挥金如土,而是挥金如山的程度了。


尘埃落定后,留下的残骸是比白矮星密度还大得多的中子星。那恒星质量要是再大呢?没错,相信很多观众应该已经猜到了,它们最终会变成黑洞。

对《戴森球计划》中科学技术的考据分析

恒星一旦演化为红巨星,对于它周围的行星来说可就是灾难了。红巨星在膨胀的过程中会吞噬掉内侧轨道的行星,比如50亿年后,我们的太阳可能就会膨胀,淹没水星、金星和地球的轨道。好在人类还可以凭借科技来“流浪地球”,游戏中的行星就没那么好运了。如果来到红巨星、白矮星、中子星和黑洞所在的星系,我们会发现它们都只有一个行星,而且公转半径一般都偏大。现在想来,并不是制作组偷懒,而是原本轨道半径更小的行星,早已经被红巨星吞噬殆尽了吧。

对《戴森球计划》中科学技术的考据分析

只剩下轨道外层的红巨星


9、恒星涅槃与命名


恒星的死亡也预示着新星的诞生。那些被红巨星或者超新星爆发抛洒到宇宙中的元素物质,在漫长的时间中会再度相遇、挤压、融合,成为新的星核,从而诞生幼年期的原恒星。

对《戴森球计划》中科学技术的考据分析

宇宙中的物质总量保持不变,那些在毁灭与新生中产生的碳、氢、氧,甚至是氨基酸,很有可能就是有机生命诞生的基石。引用BBC纪录片《恒星七纪》中的一句话:高情商的说法是,你我皆是星尘;低情商的说法就是,我们都是核废料。


制作组在第二次的开发日志里面提到过恒星的命名,说一开始都是用英文字母随机排列组合的,但现在肯定不是了。查了资料后发现,游戏中的恒星至少包含了3种不同的命名规则。


第一种是拜耳命名法。前半部分用希腊字母表示,一般越靠前说明恒星越亮,但也有不少例外,后半部分是所在星座拉丁文的属格,属格就类似于英文中把“I”变成“my”一样,比如大犬座叫“Canis major”,它的属格就时“lyCanisMajoris”


第二种是弗兰斯蒂德命名法,和前一种差不多,只是把希腊字母换成了数字,如果一颗恒星同时存在这两种命名,优先使用拜耳命名法。(比如 41 Draconis)


第三种应该是不同文化中一些有名有姓的恒星了,类似于中国的牛郎、织女星这种的。(比如Dabih、Polaris)


还有一种是专门给黑洞和中子星的命名,这个我实在找不到出处了。(NTR J0942-42、DSR J2107+35)


游戏中一些恒星的名称和现实中也对得上,但它们的参数就完全不搭噶了,估计是制作组从星表上随提取的吧。


七、结尾


以上就是我对《戴森球计划》中一些科学技术的分析和介绍。但游戏中的科技树包罗万象,基本上浓缩了人类的科学史,容如果有不严谨的地方,还请各位指正。


最后说说我自己对《戴森球计划》这个游戏的感想。这是我第一次玩工厂建设类的游戏,虽然花了很长时间还没把戴森球做出来,但当我在熔岩行星上,第一次近距离欣赏这个半成品的时候,我是真的被震撼到了。在熔岩的映衬下,戴森云甚至蒙上了一层光晕。顿时感觉100多个小时的努力是值得的。我甚至觉得,制作组是在用一种搞科研的精神在做游戏,从这些玩法和设定上就能看出来。哪怕不是很了解这些知识,但所有的细节累积起来,也足以在最后震撼玩家的心灵。期待游戏的正式版能越做越好!

对《戴森球计划》中科学技术的考据分析

飞向宇宙、在星际间穿梭一直都是人类梦寐以求的。小时候我也有过当宇航员的理想,虽然长大后就放弃了,但每次在科幻作品中看到各种对宇宙的解读,我还是会心潮澎湃。哪怕戴森球的设想并不合理,它依旧人类对于无限能源最浪漫的想象。


而人类的征途,必然是星辰大海。


参考资料:

  1. 中科院物理所 - 为什么可以凭空产生或消失

  2. BBC - 《恒星七纪》

  3. PBS Space Time - 真空零点能可以提取做功吗

  4. Kurzgesagt - 宇宙中最危险的东西:奇异星

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