■劉遠(yuǎn)

為了探索小行星帶、木星、土星以及它們各自的衛(wèi)星，同時(shí)為實(shí)施其他一系列太空探測任務(wù)，1972年和1973年，美國航空航天局分別發(fā)射了“先鋒10”號(hào)和“先鋒11”號(hào)宇宙飛船。

上述任務(wù)在這兩艘飛船升空幾年后就基本完成，但這兩個(gè)意氣風(fēng)發(fā)的小先鋒繼續(xù)勇往直前，目前已快要徹底飛出太陽系，一路搭載著帶給可能會(huì)遇到的外星人的信息。在這兩艘“先鋒”的飛行過程中，美國航空航天局噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家通過多普勒無線電傳輸，一直在追蹤它們的進(jìn)程。

1980年，噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室的天文學(xué)家約翰·安德森首次注意到“先鋒異變”，由此引發(fā)了一場有關(guān)這一異變的大爭論。當(dāng)時(shí)，安德森創(chuàng)建了一個(gè)非常復(fù)雜的算法，他和同事借此可以運(yùn)用無線電傳輸數(shù)據(jù)來研究太陽系邊緣的引力效應(yīng)。

然而，安德森注意到，由他的算法預(yù)測的多普勒頻移與測量到的實(shí)際頻移間存在很小的偏差。雖然這個(gè)偏差不到引力效應(yīng)的1/1010，但安德森經(jīng)過再三復(fù)核，發(fā)現(xiàn)它確實(shí)存在。

那么，是什么原因?qū)е铝诉@一偏差呢？科學(xué)家提出了多種理論。其中最受歡迎的一種假設(shè)是：盡管尚未被直接觀測到，但宇宙中確實(shí)游蕩著巨量暗物質(zhì)，它們對“先鋒”施加了少量的額外拖曳力，使得飛船減速。

第二種可能的解釋是：引力并不遵循伊薩克·牛頓的平方反比定律，而是遵從過去10年～15年來不少學(xué)者倡導(dǎo)的“修正牛頓力學(xué)”。和暗能量一樣，“修正牛頓力學(xué)”也是對宇宙膨脹正在加速這個(gè)事實(shí)的解釋之一。1994年，這一假設(shè)看來得到了強(qiáng)有力的支持：美國洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室的宇宙學(xué)家邁克爾·馬丁·涅托注意到，“先鋒”的偏差值幾乎與宇宙加速值完全一樣。對于涅托等人來說，“先鋒異變”是引力偏離牛頓力學(xué)的首個(gè)證據(jù)。

還有一種比較平凡的解釋是：“先鋒異變”的元兇可能只是熱量。具體而言，兩艘“先鋒”發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的钚會(huì)釋放熱量，其中一部分轉(zhuǎn)化為電能，余下的輻射進(jìn)太空。假如這種輻射不均衡，哪怕差異只有5%，也足以導(dǎo)致“先鋒異變”。

雖然以熱量為基礎(chǔ)的解釋缺乏“激動(dòng)人心的新物理學(xué)”鋒芒，但假如暗物質(zhì)或“修正牛頓力學(xué)”是導(dǎo)致“先鋒異變”的真正原因，那么最接近太陽系邊緣的行星運(yùn)動(dòng)也應(yīng)該受到影響，然而迄今沒有任何觀測數(shù)據(jù)支持這一點(diǎn)。不幸的是，假如熱量真的是元兇，那么隨著時(shí)間推移，這種效應(yīng)就會(huì)逐漸消失，但情況卻并非如此。這樣一來，“先鋒異變”之謎就又回到了出發(fā)點(diǎn)。

最近，對“先鋒異變”之謎的探索終于取得一系列新進(jìn)展。首先，加拿大軟件專家維克多·托斯和美國航空航天局噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家斯拉瓦·圖里謝夫2010年4月發(fā)表論文稱，“先鋒異變”的元兇事實(shí)上最可能就是熱量。利用遙測技術(shù)所得的數(shù)據(jù)，這兩位科學(xué)家為兩艘“先鋒”號(hào)飛船分別創(chuàng)建了極為精細(xì)的“有限元素”三維電腦模型。在模擬中，飛船表面100 000個(gè)位置的熱特性在30年的任務(wù)期中被獨(dú)立追蹤，由此了解飛船表面的熱傳導(dǎo)以及熱流和溫度隨著飛船發(fā)動(dòng)機(jī)能量減少而下降的情況。遙測分析結(jié)果表明，熱反沖力是“先鋒異變”的主要原因，所謂“‘先鋒異變’幾乎與宇宙加速值完全匹配”的說法根本就是子虛烏有。

故事到此并未結(jié)束。同樣是在2010年，意大利天文學(xué)家洛倫佐·伊奧里奧指出，根據(jù)他對海王星三顆衛(wèi)星軌道的分析結(jié)果，“先鋒異變”不可能是由“修正引力”導(dǎo)致的，因?yàn)槿w海衛(wèi)都未受到類似的引力擾動(dòng)。

不久前，葡萄牙等離子體及核聚變研究所的科學(xué)家弗德里科·弗朗西斯科及其同事指出，原來那些認(rèn)為熱量不可能是“先鋒異變”原因的計(jì)算實(shí)際上都錯(cuò)了。弗朗西斯科等人對這些計(jì)算都進(jìn)行了重算，重算中不僅考慮到了熱量散發(fā)的方式，而且考慮到了熱量從飛船不同部位反射的可能性。以往的計(jì)算只估計(jì)了反射的效應(yīng)，而弗朗西斯科等人運(yùn)用一種被稱為“補(bǔ)色渲染”的電腦模擬技術(shù)，精確算出了熱量反射的方式和停止穿行的方向。

補(bǔ)色渲染技術(shù)發(fā)明于20世紀(jì)70年代，目前廣泛應(yīng)用于模擬三維空間的反射情況。這種技術(shù)原本的研發(fā)目的是模擬來自三維物體的可見光反射，但弗朗西斯科等人發(fā)現(xiàn)它也很適用于模擬紅外光。尤其值得一提的是，運(yùn)用補(bǔ)色渲染，弗朗西斯科等人首次模擬了“先鋒”號(hào)飛船主設(shè)備艙的熱量散發(fā)效應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)來自這個(gè)艙后壁的熱量被飛船天線背面反射，由于天線指向太陽方向，其背部的反射就易于讓飛船減速。模擬發(fā)現(xiàn)，一旦修正了這個(gè)情況，“先鋒異變”就立即消失。由此，弗朗西斯科等人認(rèn)為“先鋒異變”之謎已徹底破解。

可是，故事至此是否真的就講完了呢？不見得。不少科學(xué)家不完全信服“先鋒異變”的熱量解釋，預(yù)計(jì)在今后的至少幾年內(nèi)，這方面的爭論還將繼續(xù)，弗朗西斯科等人的計(jì)算結(jié)果將可能被推翻，新的計(jì)算結(jié)果將可能被公布。只有經(jīng)過最嚴(yán)格的科學(xué)審視，我們才能真正說“先鋒異變”的謎底已經(jīng)揭開。事實(shí)上，任何科學(xué)發(fā)現(xiàn)要被最終證實(shí)，這都是之前最重要的一步。