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戴森、戴森球和外星文明 | 赛先生天文

文章标签:外星研究院这一天文天体   文章来源:中国传统文化   发布时间:2020-05-23 03:00:38
戴森、戴森球和外星文明 | 赛先生天文

弗里曼·戴森(1923.12.15-2020.02.28)

图片来源:http://www.ias.edu;Dan Komoda

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导读:

96岁高龄的理论物理学家弗里曼·戴森(Freeman Dyson)在两个多月前去世了。他是普林斯顿高等研究院的退休教授,更是一位在理论物理、数学、天文等多个领域都有出色贡献的传奇人物。甚至他对气候变化、核武器、科学与宗教等方面的思考和观点,也都有深远的影响。本文将简要介绍、回忆戴森,对他关于外星生命和文明的思考进行解读。

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撰文 | 郑政(美国犹他大学)

责编 | 韩越扬 吕浩然

戴森印象

戴森在剑桥大学三一学院获得数学学士学位,发表了两篇数论研究论文。1947年他来到美国康奈尔大学跟随后来的诺贝尔物理奖获得者汉斯·贝特(Hans Bethe)研究物理,并结识了理查德·费曼(Richard Feynman)。1951年,没有博士学位的戴森被聘为康奈尔大学的物理学教授,两年后应奥本海默(Robert Oppenheimer)邀请,他加盟普林斯顿高等研究院,此后便一直呆在那里直到去世。

他在物理学里最著名的工作是证明了量子电动力学两种表述(费曼的路径积分以及施温格和朝永振一郎的场论方法)的等价性,对量子电动力学的建立起到了决定性作用。他深受费曼影响,是除费曼之外第一个应用费曼图并极力推广这一工具的物理学家。他曾经跟费曼开车横跨美国,留下许多故事。在天文领域,他曾在类星体和中子星等领域做过研究工作,同时他对地外生命和文明的探索有过很多思考。

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图1:高等研究院的时光(左起:派斯、李政道、杨振宁、戴森;大约1961年,A. Richards。图片来源:文献[1])。

戴森和杨振宁、李政道在高等研究院共事多年(图1这张著名的黑白照片记录了派斯、李政道、杨振宁和戴森等一起在高等研究院的时光)。戴森对杨振宁先生推崇备至。1957年,当李、杨获得诺贝尔物理奖的消息传至研究院时,戴森在写给母亲的信中[2]感叹到自己的研究和杨的不是一个档次,说杨的获奖不过是公开宣称了大家都认可的杨是当今最聪颖的物理学家这一事实。他在杨振宁荣休晚宴上的演讲——《保守的革命者》[3]是一篇非常值得一读的文章。

戴森曾应邀为美国数学学会作冠名爱因斯坦的公众讲座,准备的讲稿《鸟与青蛙》[4]对科学研究者进行了分类,读起来颇有意思。虽然他侧重讨论数学家,但也提到了物理学家,其观点在其他领域也适用。他把研究者分为鸟和青蛙两类。鸟翱翔天空俯瞰远方,他们喜欢的观念是统一大家的思想和整合各种不同的问题;而青蛙生活在泥地,目光所及只是身边的鲜花,他们喜欢的是特定问题的细节,一次解决一个问题。戴森认为两种研究者没有高下之分,探索一个领域既需要鸟之广也需要蛙之深。注重观察和细节、实践出真知的培根是蛙,强调逻辑和思维、我思故我在的笛卡尔是鸟。

物理学家里戴森特别点评了杨振宁,在鸟辈难为的年代,杨-米尔斯非阿贝尔规范场横空出世。戴森认为“对称决定相互作用”的思想是杨对物理学最伟大的贡献,大多数人在众多小问题构成的雨林里终其一生,而杨则是雨林之上那只高高飞翔的鸟。戴森将自己定位为蛙。他和提出规范场的外尔(Hermann Weyl)曾经在高等研究院有一年的交集。由于戴森当时发表了数论和量子电动力学两个截然不同领域的研究,外尔对他青眼有加,寄厚望于他成为鸟。戴森说自己虽然曾在泥地上挖过不少坑灌过不少水,但终究还是一次一坑,没有追寻把它们联系结合起来的宏伟图景,是一只不折不扣的固执的蛙。

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图2:2018年4月笔者访问高等研究院,适逢戴森的书信自传一书发行,在Fuld Hall签名。

戴森著作颇丰,其中《宇宙波澜》(Disturbing the Universe)是他的一本自传性质的文字,里面记录了他的经历,包括和费曼等人的交往。戴森到美国后一直保持着给母亲和家人频繁写信的习惯。两年前,这些保留下来的信件被编辑成书:《模式制造者:书信构成的自传》(Maker of Patterns: An Autobiography through Letters)。这可谓是一本充满戴森特色的自传。笔者2018年访问高等研究院时,恰逢此书发行(图2)。

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图3:2017年10月4日,戴森(右)在高等研究院草坪与人交谈讨论(毛淑德供图)。

笔者2004年去普林斯顿高等研究院做博士后的时候,戴森已经退休,但他基本每天都会出现在研究院。戴森是一位细瘦矍铄、高鼻大耳的长者,在研究院每天的下午茶时间,他经常出现在富尔德大厅(Fuld Hall),在沙发上安安静静地读书看报,有时也会轻松平和地和各色学者探讨问题(图3)。

这里有一个著名的关于下午茶的故事[5]。话说研究黎曼猜想的数学家蒙哥马利到研究院访问,喝下午茶的时候偶遇戴森,被引荐和戴森闲聊。没成想,这八杆子打不着的闲聊居然产生了奇迹:听了蒙哥马利讲他的黎曼函数研究后,戴森居然指出蒙哥马利研究的黎曼函数非平凡零点的密度分布函数和量子统计里的随机厄密矩阵的本征值的关联函数有关,神奇地把质数分布和量子系统建立起了联系!

戴森时常到天体物理组听报告,午餐时也常常凑到天体物理组的一桌饶有兴致地了解天文领域的最新进展,听我们高谈阔论。当然,我们也乐见他分享见解。

由于戴森近七十年一直生活在高等研究院,他成了研究院的活档案,经常是研究院各种纪念活动的特邀嘉宾。他对研究院的历史如数家珍,对一些掌故轶事信手拈来,对一些人物也有独到的点评。记得在2008年,研究院成立75周年的时候,戴森作为嘉宾上台讨论,回答听众提问。有一位听众问到了奥本海默,说他主持了制造原子弹的曼哈顿工程,后来担任了近20年的研究院院长,领导能力有目共睹,这位听众好奇奥本海默识人能力如何。戴森呵呵笑了一下说,奥本海默识人能力如何我不太清楚,我给大家讲个故事吧。于是他提到,1954年,里昂·库珀(Leon Cooper)来研究院做博士后,在一次报告会中讲自己刚刚发展的电子对概念。刚讲了一会儿,奥本海默就说你这物理有问题啊,电子之间是相互排斥的,到你那儿怎么就相互吸引了,肯定不对。奥本海默根本没心思听库珀解释,也不让他讲下去了,报告会草草收场。

年终时教授们对博士后进行评价,奥本海默坚持说库珀物理概念不清,不适合继续留在研究院进行博士后工作,主张让他走人。杨振宁先生惜才,写了封信把库珀推荐给伊利诺伊大学香槟分校的巴丁教授。在那里,巴丁、库珀和施里弗合作成就了以他们姓氏命名的BCS超导理论(1972年诺贝尔物理奖),而库珀电子对是其中的关键概念。库珀后来就职于布朗大学,一直对高等研究院耿耿于怀,曾经打电话邀请戴森加盟布朗,对戴森说你怎么还呆在那个破地方啊!

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图4:2011年12月,戴森夫妇助兴幼儿园募捐活动,与笔者女儿聊天。

戴森乐于参与各种活动。笔者保存的照片里有戴森夫妇和笔者女儿聊天的镜头(图4),那是研究院里的幼儿园举行募捐拍卖活动,戴森夫妇前来助兴,捐赠的拍卖物品里包括他签名的著作。得知戴森去世,笔者翻出这几张照片拿给女儿看,当然在她眼里,这只是两位和蔼的爷爷奶奶,她尚不了解两位普通人不普通的故事。

戴森球

在天文相关领域,戴森最为大众所知的,应该是冠以他名字的戴森球。戴森球源自他1960年6月3日在《科学》杂志上的一篇短文:《搜索人造的恒星红外辐射源》 [6]。在文中,戴森指出可以通过搜索有强红外辐射的天体发现技术上达到高级阶段的外星文明,并提出了戴森球的概念。戴森球的英文是“Dyson Sphere”,而非“Dyson Ball”,和戴森吸尘器乃天壤之别(图5)。

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图5:此戴森球(Dyson Sphere)非彼戴森球(Dyson Ball)。

图片来源:https://en.wikipedia.org/wiki/Dyson_sphere 和https://www.dyson.com/。

这篇短文的写作背景是刚刚开启的外星智慧生命探测。1959年,康奈尔大学两位物理学家朱塞佩·可可尼(Giuseppe Cocconi)和菲利普·莫里森(Philip Morrison)在《自然》杂志发表文章:《搜寻星际通讯》[7]。文章首次提出智慧生命可能会利用物理上独特而普适的标准频率进行星际通讯。其中一个选择就是中性氢发出的21厘米辐射,利用射电望远镜在这个波段上搜索也许会探测到外星文明发出的信号。

当时在美国国立射电天文台的弗兰克·德雷克(Frank Drake;就是提出公式估算银河系内可能与我们接触的高等文明数目那位)将这一提议付诸实施 。1960年,他利用位于西弗吉尼亚州绿岸的一架26米口径的射电望远镜对太阳附近的恒星鲸鱼座τ(天仓五)和波江座ε(天苑四)在21厘米波段进行了近四个月的观测。该项目以著名童话故事《绿野仙踪》里奥兹国的公主命名,称为奥兹玛计划[8]。虽然并没有观测到外星文明的信号,但这一项目标志着地球人类利用现代科学和技术手段对外星文明探测的开端。

受到射电探测的启发,戴森独辟蹊径,在他的文章里指出了另外一种寻找外星文明的手段。他考虑的是工业水平和技术水平远远超越我们,已经发展到非常先进阶段的外星文明。戴森以类似太阳系的恒星系统为例,探讨这类文明的发展历程。目前人类能利用的物质局限在地球生物圈,大约5×1016千克,能量利用大约在1013瓦量级。而他考虑的高等文明能利用的物质可以在木星质量量级,大约2×1027千克,需要的能源则对应整个恒星(母星)的辐射功率,4×1026瓦。他指出,跨越物质和能源利用的这近12个量级其实无需多久——以每年1%的人口和工业增长率来算,三千年就可以了。这个时间看似很长,但和恒星寿命相比只是弹指一瞬。

这类文明对能源的需求可以通过行星工程实现:把类似木星的行星解体(所需能量也就是母星800年辐射的总能量),然后让这些物质形成一个半径为日地距离两倍的壳层来充分截获和利用母星的辐射能量。这个几米厚的壳层适于居住,戴森称之为人造生物圈。这就是后来被人们广泛熟知的戴森球。

如果上述可能性成立,那从远处的观测者(我们)看来,隐于壳层里的母星在光学波段会变得很暗弱,但温度在200-300开尔文的壳层则会在红外10微米波段发出很强的辐射。基于地球大气正好在这一波段附近透明,戴森建议应该搜索具有强红外辐射的天体以期发现外星文明的迹象。这类搜索既可以和射电探测结合起来也可以单独进行。

戴森的这篇文章自然引起了众多读者的兴趣,《科学》杂志刊登了三封读者来信。对于读者的问题,戴森进行了简短的答复[9]。他特别澄清,环绕母星的壳层并非钢板一块,那在力学上是不可能的。他设想的壳层是由运行在不同轨道上的大量物体构成。他没有考虑如何去建造,因为红外辐射和建造细节关系不大。自此以后,戴森球成了大家津津乐道的话题,戴森球的概念也有了各式各样的变种(戴森群,戴森泡,戴森壳,戴森网等[10]),戴森球之类的超级建造出现在众多科幻小说和影视作品中。类似戴森球级别的行星工程中,我们也许会想到《流浪地球》。其实在更合理的设定下,远在让地球流浪之前,我们人类文明可能已经能够建造和利用戴森球了。

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图6:行星,恒星,星系级别的卡尔达肖夫文明类型能量操控尺度(依据卡尔·萨根修改后的定义),图片来源:https://en.wikipedia.org/wiki/Kardashev_scale。

天文学家有分类癖,对天体和天文现象都喜欢分个I,II,III,a,b,c等各种类型。戴森讨论的外星文明对应于卡尔达肖夫分类[11]中的II型文明。2019年去世的尼古拉·卡尔达肖夫(Nikolai Kardashev)是苏联和俄罗斯天文学家,他是甚长基线干涉(VLBI)技术最早的提出者和推动者之一。这一技术依靠全球射电天文望远镜的协同干涉观测获得等效于地球大小望远镜的极高空间分辨率(对,正是该技术的应用让我们去年能够一睹M87星系中心大质量黑洞的芳容)。

1964年,卡尔达肖夫在《苏联天文学》杂志上发表了一篇论文[12],探讨在射电波段探测外星文明。他根据能量的利用把文明化分为三个级别。I型是行星级文明,技术程度大致和我们目前类似,能量消耗在4×1012瓦量级。II型是恒星级文明,能量消耗在4×1026瓦量级,基本对应于太阳的辐射功率,也就是说这类文明能够利用和控制恒星所能提供的能量。他特别提到的例子就是这类文明能成功建造戴森球。III型是星系级文明,可以拥有4×1038瓦的能量操控能力,对应于整个银河系恒星的辐射功率。

这三个类型的文明之间跨度巨大,每一个能源利用的台阶高达12个数量级(戴森文中实际上估算了从I型跨越到II型的时间尺度 )。卡尔·萨根(Carl Sagan)建议修改和扩展卡尔达肖夫的分类[13],把能源利用的台阶变为10个量级的差别。I型文明的能量利用改为1016瓦,大约比地球上接受的太阳辐射小一个量级,II型还维持在1026瓦量级,III型是1036瓦(图6)。这一修改还可以定义中间类型的文明,卡尔达肖夫文明类型K=(log10P-6)/10,其中P是以瓦为单位的能量利用率。按照这一定义,目前我们地球人类文明是0.73型。

对于“戴森球”这一名称,戴森自己不以为然。他在《宇宙波澜》一书中指出,科幻小说家们把这一概念归功于他并不公平,恰恰相反,他的灵感来自奥拉夫·斯塔普尔顿(Olaf Stapledon)1937年的科幻小说《造星者》。当戴森听到戴森球会是什么反应呢?笔者在此分享一段亲身经历的轶事。

大约是2005年春天,普林斯顿高等研究院的天体物理组邀请加州大学洛杉矶分校的本杰明·朱克曼(Benjamin Zuckerman)来做学术报告,他在上世纪70年代曾是探测外星文明的奥兹玛第二期项目的负责人之一。朱克曼报告了他在观测恒星吸积方面的研究,戴森也在听众当中。基于报告人的经历和研究,幻灯片里有两页提到了戴森球。朱克曼显然注意到戴森也来了,所以当讲到这两页的时候,特地提高嗓门,强调戴森两字。很自然地,听众都齐刷刷地把目光投向了戴森看他的反应,但随后都哑然失笑:戴森安静地坐在座位上睡…着…了。:)

搜索戴森球和外星生命

戴森球听起来很美妙,观测上有何进展呢?一个完整的戴森球会让母星黯然失色而发出温度在几百开尔文左右的近似黑体辐射,集中在红外波段。一个在建的或不完整的部分戴森球也会导致红外辐射叠加在母星光谱之上。自1985年以来,已经有一些在红外巡天数据中寻找戴森球或部分戴森球的努力[14-16]。理查德·卡里根[17]利用IRAS红外卫星的全天巡天数据,分析了25万个红外源的低分辨率光谱,得到了16个候选者,但大部分都存在合理的天体物理解释(比如恒星演化后期尘埃的影响)。其中只有四个勉强可以称得上疑似戴森球或部分戴森球。

IRAS数据可以灵敏到探测太阳周边1000光年范围内的戴森球,这个体积里有一百万个类似太阳的恒星,所以上述的搜索结果表明戴森球即使存在也非常罕见。类似的观测也被用来研究III型星系级文明的数量,这类文明星系量级的能耗会增强星系在中红外波段的辐射,利用WISE望远镜的数据对近邻星系的分析表明,此类文明同样是即便存在也会特别罕见[18]。这些搜索结果不免让人失望,莫非知音难觅,我们注定孤独?但是如果刘慈欣科幻小说《三体》里的黑暗森林法则果真成立的话,谢天谢地谢星系,地球文明暂时无虞。

2015年,在“行星猎手”(Planet Hunters)这一调动志愿者力量协助查看开普勒空间望远镜数据的平台,有一颗奇怪的恒星被发现了[19]。它在开普勒输入星表中的编号是KIC8462852,后来又以分析发现的论文的第一作者Tabby Boyajian的名字命名。这是一颗距离我们近1500光年位于天鹅座的F型恒星,奇特之处是它存在难以理解的幅度可达22%的不规则的亮度变化。

自发现以来,许多可能性被提出来解释这一现象,包括恒星本身的变化,恒星周围不规则的尘埃环或行星彗星碎片,甚至太阳系里小天体的遮挡等等,迄今尚无定论。可以想见,还有一种可能性也被提出来,就是外星文明进行的超级工程,正在建造戴森球(群)。然而,后续的观测表明该星在红外波段的辐射并没有增强的证据[20],基本排除了这一可能性。前几个月,猎户座肩头那颗亮星参宿四亮度大幅降低,也有许多媒体把在建的戴森球列为一种可能性,其实更合理的解释是这颗红超巨星自身演化导致的变化。谨慎的天文学家们在排除各种可能的天体物理解释之前,不会轻易而草率地宣布发现戴森球。

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图7:根据卡尔·萨根小说改编的电影《超时空接触》,展现了在射电波段对外星文明的搜索。

寻找戴森球属于统称为搜索地外智慧生命(SETI[21])计划中的一部分,这一计划大致分为两类,探测星际通讯信号和搜索表征高等技术的物体和信号。前者主要集中在射电波段,是奥兹玛项目的延续。根据萨根小说改编的科幻电影《超时空接触》(Contact;图7)反映的就是此类项目。目前比较有名的一个项目是富翁米尔纳(Yuri Milner)资助的突破聆听(Breakthrough Listen[22]),这个项目由北半球美国的100米口径的绿岸望远镜和南半球澳大利亚的64米帕克斯望远镜负责观测,我国的500米FAST望远镜也加入了合作。后一类探测主要集中在红外和光学波段,信号包括类似戴森球的天文级别的工程,来自太阳系外行星的表征城市和文明的灯光或行星大气里含有标志工业化过程的成份。

当然,如果有天外来客,那就更好了。2017年,天文学家第一次发现了路过太阳系的星际天体奥陌陌(图8),这颗尺寸上百米的天体的许多独特性质(比如狭长的形状,额外的加速度等)引发了人们无限遐想,媒体报道也煞有介事地把它画成星际战舰或飞船,其实它有更合理的天体物理解释[23]。

目前,对太阳系外行星的发现、观测和研究正如火如荼,其对外星生命搜索计划具有重要的推动作用和指导意义。

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图8:揭示奥陌陌星际访客身份的双曲轨道(左;nagualdesign; Tomruen)和根据观测特征而进行的艺术创作(右;ESO/M. Kornmesser)。图片来源:https://en.wikipedia.org/wiki/Oumuamua。

在探测外星文明的同时,人类文明也在走出去。上世纪70年代发射的旅行者1号和2号,先驱者10号和11号探测器,已经漫游到了100多倍日地距离的地方。还有2006年发射的新视野号探测器,它们最终都将飞出太阳系踏上星际空间的旅程。两艘先驱者号探测器上还安装了镀金铝板,刻有地球和人类的信息。2016年米尔纳,霍金和扎克伯格发起了突破摄星(Breakthrough Starshot)计划[24],准备发射1000个仅有几克重带有1米见方光帆的空间探测器,通过地面大功率激光将它们加速到光速的20%,20到30年内飞至4.3光年之遥的比邻星,近距离对其行星拍照并传回地球。这已经有点小天文工程的意味了。戴森受邀加入了该计划的管理和顾问委员会。

关于地外生命,戴森一直没有停止思考。2003年他在《国际天体生物学杂志》还发表了一个想法[25],搜索太阳系里行星卫星上,小行星上,还有柯伊柏带天体上的生物。他认为,适应寒冷环境的生物可能会进化出汇聚阳光的类似透镜或镜面的系统。而没有被吸收的光或者生物体辐射会通过这一系统形成较窄的光束反向射向太阳方向。他建议在背对太阳的方向去搜索这类亮斑从而发现地外生物。

除了物理学上的重要贡献,戴森在天文学领域对地外生命和文明的思考激发了我们的想象力,值得回味。他貌似天马行空脑洞大开,其实仔细想来,他所做的是基于一些合理假设下的探索,最为重要的一点,他强调的是观测。所以戴森秉承的还是大胆假设小心求证的实证精神,这一点是我们科学探索外星生命和文明过程中应该遵循和坚持的。

草就此文,以示纪念。

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作者简介:郑政,1996年北京大学地球物理系天体物理专业本科毕业,1999年中国科学院北京天文台硕士,2004年美国俄亥俄州立大学博士。曾在普林斯顿高等研究院和耶鲁大学进行博士后研究工作。现为犹他大学物理和天文系副教授。研究兴趣广泛,主要方向为宇宙学,宇宙大尺度结构,以及星系形成和演化。

参考文献:

[1] C.N. Yang, Selected Papers, 1945-1980, with Commentary, 2005.

[2] F.J. Dyson, Maker of Patterns: An Autobiography Through Letters, 2018.

[3] F.J. Dyson, Modern Physics Letters A, vol. 14, p. 1455, 1999.

[4] F.J. Dyson, Notices of the AMS, vol. 56, p. 212, 2009, https://www.ams.org/notices/200902/rtx090200212p.pdf.

[5] 卢昌海, 《黎曼猜想漫谈》.

[6] F.J. Dyson, Science, vol. 131, p. 1667, 1960.

[7] G. Cocconi and P. Morrison, Nature, vol. 184, p. 844, 1959.

[8] Project_Ozma, https://en.wikipedia.org/wiki/Project_Ozma.

[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.

[13] C. Sagan, Icarus, vol. 19, p. 350, 1973.

[14] V.L. Slysh, IAUS, vol. 112, p. 315, 1985.

[15] M. Yu. Timofeev, N.S. Kardashev, and V.G. Promyslov, AsAau, vol. 46, p. 655, 2000.

[16] J. Jugaku and S. Nishimura, IAUS, vol. 213, p. 437, 2004.

[17] R. Carrigan, ApJ, vol. 698, p. 2075, 2009.

[18] J.T. Wright et al., ApJ, vol. 792, p. 27, 2014.

[19] T.S. Boyajian et al., MNRAS, vol. 457, p. 3988, 2016.

[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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