李有觀

40多年前，美國(guó)發(fā)射了兩個(gè)探索外太陽(yáng)系的探測(cè)器——“先驅(qū)者”號(hào)，后來(lái)都出現(xiàn)了意外的減速現(xiàn)象，被稱(chēng)為“‘先驅(qū)者號(hào)異?！薄＞S克多·托思是一位軟件工程師，斯拉瓦·圖里謝夫是一位理論物理學(xué)家，目前都在位于美國(guó)加利福尼亞州帕薩迪納市的美國(guó)航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室工作。為了解開(kāi)“‘先驅(qū)者號(hào)異?！敝i，他們花費(fèi)了數(shù)年時(shí)間。

現(xiàn)在，我們終于知道了其中的原因。

1972年3月2日和1973年4月6日，美國(guó)航空航天局先后發(fā)射了“先驅(qū)者10”號(hào)和“先驅(qū)者11”號(hào)探測(cè)器。這兩個(gè)探測(cè)器是真正的探索宇宙的先驅(qū)者，它們使人類(lèi)第一次近距離觀察到太陽(yáng)系小行星帶之外的世界。它們也留下了一個(gè)謎，一個(gè)多年以來(lái)困擾和激勵(lì)著天體物理學(xué)家的謎。

像許多謎團(tuán)一樣，一開(kāi)始人們只是發(fā)現(xiàn)有些不對(duì)勁?！跋闰?qū)者10”號(hào)和“先驅(qū)者11”號(hào)越過(guò)木星和土星的軌道之后不久，導(dǎo)航員開(kāi)始注意到一些意想不到的情況。兩個(gè)探測(cè)器的飛行速度似乎都比控制人員預(yù)測(cè)的要慢，好像有一股力量在緩慢地把它們拉向太陽(yáng)的方向。

探測(cè)器的減速幅度極小，只有我們?cè)诘厍虮砻娓惺艿降闹亓铀俣鹊氖畠|分之一。起初，這么小的影響似乎沒(méi)有什么特別之處，可以把它當(dāng)作一種簡(jiǎn)單的修正，航天器的導(dǎo)航員就經(jīng)常為了調(diào)整探測(cè)器動(dòng)作中因燃料泄漏等引起的一些小的、暫時(shí)性的偏差。如果不是因?yàn)橐粋€(gè)令人困擾的細(xì)節(jié)，沒(méi)有人會(huì)關(guān)注這件事：多年來(lái)，隨著探測(cè)器不斷向太空深處移動(dòng)，這種微小的差異一直存在。沒(méi)有人知道它是如何產(chǎn)生的。

在首次發(fā)現(xiàn)超過(guò)15年之后，這種異常現(xiàn)象最終于1998年被公布，不久就出現(xiàn)了許多可能的解釋。對(duì)遙遠(yuǎn)恒星爆炸的研究表明，宇宙正在加速膨脹。“先驅(qū)者”號(hào)探測(cè)器減速的幅度正好處于合理的范圍內(nèi)，這表明我們可能是在太陽(yáng)系內(nèi)看到了這種膨脹。但這只是一種可能性。一些人懷疑這兩個(gè)探測(cè)器被一種看不見(jiàn)的暗物質(zhì)云團(tuán)或其他物質(zhì)牽引，導(dǎo)致萬(wàn)有引力定律在大范圍內(nèi)受到破壞。還有一些人認(rèn)為，這可能是“先驅(qū)者”號(hào)探測(cè)器發(fā)現(xiàn)了額外維度或奇異的“鏡像物質(zhì)”的第一個(gè)證據(jù)。

總共有數(shù)百篇論文試圖用新物理學(xué)來(lái)解釋“先驅(qū)者”號(hào)探測(cè)器的異?，F(xiàn)象，但這些解釋中沒(méi)有一個(gè)能令人完全滿(mǎn)意，而且一直存在著一個(gè)更普遍的看法——也許是探測(cè)器本身某些方面的原因造成的。維克多·托思和斯拉瓦·圖里謝夫經(jīng)過(guò)搜尋失蹤的探測(cè)器記錄、詳細(xì)研究機(jī)載傳感器和導(dǎo)航數(shù)據(jù)以及精心模擬探測(cè)器及其飛行軌跡之后，堅(jiān)信我們終于知道了答案。他們努力找出這種異?，F(xiàn)象的根源，這既是一個(gè)偵探故事，也是一個(gè)警示性故事，說(shuō)明了保存看似沒(méi)有多大作用的數(shù)據(jù)的重要性。

要了解“先驅(qū)者”號(hào)探測(cè)器的異常，從其開(kāi)始設(shè)計(jì)談起或多或少會(huì)有些幫助。在20世紀(jì)60年代中期，當(dāng)專(zhuān)家設(shè)想研制“先驅(qū)者10”號(hào)和“先驅(qū)者11”號(hào)探測(cè)器時(shí)，還沒(méi)有任何航天器被送到火星的軌道上。沒(méi)有人知道穿越火星和木星之間的小行星帶會(huì)有多大風(fēng)險(xiǎn)，也沒(méi)有人知道承受環(huán)繞氣態(tài)巨行星的強(qiáng)烈輻射區(qū)有多困難。但“先驅(qū)者10”號(hào)和“先驅(qū)者11”號(hào)的設(shè)計(jì)師仍然認(rèn)為他們擁有完成這些任務(wù)所需的技術(shù)。

在木星軌道上，太陽(yáng)光的亮度大約是地球軌道的4%，太暗了，無(wú)法給探測(cè)器的太陽(yáng)能電池板提供能量。因此，每個(gè)探測(cè)器都攜帶了一套四個(gè)放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器（簡(jiǎn)稱(chēng)RTG），放置在與探測(cè)器敏感儀器相距一段安全距離的長(zhǎng)桿上，就像一對(duì)兔子耳朵一樣。這些發(fā)生器使用雙金屬熱電偶將來(lái)自钚-238的放射性衰變產(chǎn)生的熱量直接轉(zhuǎn)化為電能。放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器非?？煽浚核鼈儧](méi)有移動(dòng)部件，燃料的半衰期長(zhǎng)達(dá)88年，意味著探測(cè)器將有足以使用幾十年的能量。

“先驅(qū)者10”號(hào)和“先驅(qū)者11”號(hào)上最大的單一部件是高增益天線(xiàn)，它是一個(gè)大圓盤(pán)，直徑2.74米，其作用是在飛出火星軌道后與地球通信。探測(cè)器可以沿著天線(xiàn)的軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)以保持穩(wěn)定。探測(cè)器的天線(xiàn)指向一個(gè)一致的方向，因此不需要頻繁地校正姿態(tài)。如果天線(xiàn)沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)地球，輸入信號(hào)后，專(zhuān)門(mén)的電路會(huì)在探測(cè)器旋轉(zhuǎn)時(shí)調(diào)整天線(xiàn)的方向。探測(cè)器的大部分控制儀器和科學(xué)儀器都安裝在這個(gè)圓盤(pán)背后，有專(zhuān)門(mén)的電路打開(kāi)散熱窗，以釋放多余的熱量。每個(gè)探測(cè)器上都有防止儀器受到輻射的裝置以及磁力計(jì)。

擁有了上述基本技術(shù)，“先驅(qū)者10”號(hào)和“先驅(qū)者11”號(hào)探測(cè)器向以前沒(méi)有人探索過(guò)的太空前進(jìn)?！跋闰?qū)者10”號(hào)于1972年3月2日發(fā)射，它穿越小行星帶并于1973年12月飛過(guò)木星，其單像素光電探測(cè)器緩慢旋轉(zhuǎn)，以拍攝巨行星的照片?！跋闰?qū)者11”號(hào)于1973年4月6日發(fā)射，執(zhí)行一項(xiàng)更加重要的任務(wù)：在“先驅(qū)者10”號(hào)飛行一年后飛越木星，利用氣態(tài)巨行星的重力改變航向。5年之后，“先驅(qū)者11”號(hào)飛抵土星環(huán)。

隨著探測(cè)器逐漸遠(yuǎn)離地球，地球繞太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)也隨之減弱。因此，需要推進(jìn)器點(diǎn)火以調(diào)整定向天線(xiàn)的方向的次數(shù)也越來(lái)越少。這使得探測(cè)器基本上成為彈道物體，即受重力等外力作用而接近理想飛行狀態(tài)的探測(cè)器。

由美國(guó)航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的天文學(xué)家約翰·安德森領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員使用這些幾乎是無(wú)源的探測(cè)器飛行數(shù)據(jù)，對(duì)太陽(yáng)系外的重力環(huán)境進(jìn)行了高精度的測(cè)量。這個(gè)團(tuán)隊(duì)（包括斯拉瓦·圖里謝夫）專(zhuān)門(mén)尋找可能是因沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的行星或在宇宙大爆炸過(guò)程中產(chǎn)生的特長(zhǎng)波引力波而引起的飛行軌跡的微小變化，但沒(méi)有什么發(fā)現(xiàn)。相反，他們的研究發(fā)現(xiàn)了完全出乎預(yù)料而且難以解釋的事情。

為了把“先驅(qū)者10”號(hào)和“先驅(qū)者11”號(hào)作為重力探測(cè)器，約翰·安德森領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)主要依靠美國(guó)航空航天局的深空網(wǎng)絡(luò)從地球發(fā)送的信號(hào)。深空網(wǎng)絡(luò)由位于世界三個(gè)不同地點(diǎn)的擁有大型無(wú)線(xiàn)電天線(xiàn)的深空通信設(shè)施構(gòu)成。這些天線(xiàn)向“先驅(qū)者”號(hào)探測(cè)器發(fā)送了2.11千兆赫的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，“先驅(qū)者號(hào)”探測(cè)器上沒(méi)有精密振蕩器，它利用入射波束的頻率將其返回信號(hào)調(diào)制為2.29吉赫（GHz）。

根據(jù)著名的多普勒效應(yīng)，如果信號(hào)源和接收器相對(duì)運(yùn)動(dòng)，接收到的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)頻率會(huì)發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)量“先驅(qū)者”號(hào)探測(cè)器發(fā)出的信號(hào)從2.29吉赫偏移了多少，地面操作員就可以知道探測(cè)器相對(duì)于地球的視向速度。在探測(cè)器足夠長(zhǎng)的飛行軌跡上反復(fù)測(cè)量視向速度可用來(lái)確定其路徑。

當(dāng)然，為了找出任何未知的影響，團(tuán)隊(duì)必須考慮所有可能改變探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)或其發(fā)送信號(hào)頻率的因素。美國(guó)航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的導(dǎo)航員必須建立一個(gè)考慮各種因素的模型，包括太陽(yáng)系所有已知物體的引力影響、太陽(yáng)氣象、太陽(yáng)輻射壓力、廣義相對(duì)論對(duì)信號(hào)傳播的影響、信號(hào)發(fā)送和接收時(shí)的大氣濕度以及地球磁極的旋進(jìn)。

當(dāng)上述因素被輸入每個(gè)探測(cè)器飛行軌跡的模型中時(shí)，團(tuán)隊(duì)期望看到接收無(wú)線(xiàn)電信號(hào)的頻率與預(yù)測(cè)的誤差在幾毫赫以?xún)?nèi)。但結(jié)果不是這樣。從1980年開(kāi)始，安德森及其同事注意到一個(gè)更大的偏差。在幾十毫赫的水平上。很明顯，這種差異不只是隨機(jī)的噪音。

1998年，美國(guó)的《物理評(píng)論快報(bào)》公布了這種異?，F(xiàn)象，隨后理論物理學(xué)家提出了自己的看法。

其中熱輻射被認(rèn)為是主要的原因。“先驅(qū)者”號(hào)探測(cè)器搭載的放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器的效率很低，只能向探測(cè)器提供大約100瓦的電力，但同時(shí)會(huì)向太空釋放2.5千瓦的熱量?！跋闰?qū)者號(hào)”探測(cè)器出現(xiàn)的輕微減速可以用微小的不對(duì)稱(chēng)來(lái)解釋。如果每個(gè)探測(cè)器背面（天線(xiàn)背面）輻射出60瓦的熱量，根據(jù)動(dòng)量守恒定律，就會(huì)向另一個(gè)方向（朝向地球）產(chǎn)生反沖力，異常現(xiàn)象則得到解釋。

美國(guó)航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)花了幾年時(shí)間準(zhǔn)備進(jìn)行一項(xiàng)全面的研究。他們處理了“先驅(qū)者10”號(hào)超過(guò)10年的多普勒測(cè)量數(shù)據(jù)和“先驅(qū)者11”號(hào)近4年的類(lèi)似數(shù)據(jù)，編制了所有可能的誤差和偏差來(lái)源清單（包括機(jī)載熱量），最終在2002年發(fā)表了一篇近60頁(yè)的論文，詳細(xì)闡述了所有這些問(wèn)題。

該團(tuán)隊(duì)的結(jié)論是，“先驅(qū)者”號(hào)的異?？赡懿皇怯蔁彷椛湓斐傻?。有兩個(gè)原因：第一，放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器位于從探測(cè)器機(jī)體延伸出2.5米的長(zhǎng)桿上，其釋放的余熱似乎不太可能產(chǎn)生足夠的反沖力（該團(tuán)隊(duì)估計(jì)，可能只有1/10）；第二，兩個(gè)探測(cè)器的減速值在發(fā)射后的幾十年間基本是不變的。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，如果是放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器造成了“先驅(qū)者”號(hào)的異常，隨著钚-238的衰減，產(chǎn)生的能量逐漸減少，熱量也更少，減速效應(yīng)也應(yīng)減小。

但人們依然存在疑慮。對(duì)熱反沖力的估算并不是非常精確；雖然不斷的反沖力似乎可以解釋這種異?，F(xiàn)象，但沒(méi)有人能真正排除它隨著時(shí)間的推移正在逐漸減少的可能性。

如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？當(dāng)然是使用更多的數(shù)據(jù)和進(jìn)行更多的分析。維克多·托思和斯拉瓦·圖里謝夫希望盡可能精確地確定探測(cè)器到底釋放出了多少熱量，以及由此產(chǎn)生的力量能否解釋飛行軌跡的異常。為此，他們需要兩組關(guān)鍵信息：工程師監(jiān)視探測(cè)器運(yùn)行的管理數(shù)據(jù)和多普勒效應(yīng)數(shù)據(jù)，而且要盡可能多。

幸運(yùn)的是，“先驅(qū)者10”號(hào)和“先驅(qū)者11”號(hào)的遙測(cè)數(shù)據(jù)大部分被保存下來(lái)，可供研究使用。雖然美國(guó)航空航天局沒(méi)有對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔，但艾姆斯研究中心的承包商和“先驅(qū)者”號(hào)團(tuán)隊(duì)前成員、系統(tǒng)工程師拉里·凱洛格非正式地保留了他們可以得到的所有“先驅(qū)者”號(hào)數(shù)據(jù)。凱洛格擁有兩個(gè)探測(cè)器幾乎所有的主數(shù)據(jù)記錄，即包括“先驅(qū)者”號(hào)所有科學(xué)數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件。

這些數(shù)據(jù)共有40GB。2005年，當(dāng)維克多·托思和斯拉瓦·圖里謝夫決定認(rèn)真研究這些遙測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，已經(jīng)有人開(kāi)發(fā)了一種新的軟件，可以從主數(shù)據(jù)記錄中提取有用信息，而無(wú)須使用舊的、過(guò)時(shí)的大型主機(jī)。

要獲取更多的可能有助解開(kāi)謎團(tuán)的多普勒效應(yīng)數(shù)據(jù)則有些棘手。美國(guó)航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)已收集到所有易于找到和使用的無(wú)線(xiàn)電數(shù)據(jù)文件，但維克多·托思和斯拉瓦·圖里謝夫需要更多的測(cè)量數(shù)據(jù)。在花了一些時(shí)間后，他們?cè)诿绹?guó)航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)硬盤(pán)和國(guó)家空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心的檔案中找到了更多數(shù)據(jù)，甚至在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的樓梯下發(fā)現(xiàn)了裝在紙箱內(nèi)的磁帶。有些文件的保存狀況相當(dāng)糟糕，在30年的時(shí)間內(nèi)，從一種存儲(chǔ)格式轉(zhuǎn)換為另一種存儲(chǔ)格式時(shí)出現(xiàn)損壞。

為了找到這些文件并使之可用，他們得到了一個(gè)非盈利空間倡導(dǎo)組織——“行星協(xié)會(huì)”——的資金支持。美國(guó)航空航天局戈達(dá)德太空飛行中心的物理學(xué)家克雷格·馬克沃特幫助恢復(fù)了損壞的文件，并且使所有多普勒效應(yīng)數(shù)據(jù)可以使用。最終，維克多·托思和斯拉瓦·圖里謝夫獲得了多1倍的可用多普勒測(cè)量數(shù)據(jù)，使“先驅(qū)者10”號(hào)的軌道數(shù)據(jù)跨度增加到23年，“先驅(qū)者11”號(hào)的軌道數(shù)據(jù)跨度增加到10年以上。

在美國(guó)航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，資深導(dǎo)航員尼爾·莫丁格和約旦·艾利斯對(duì)多普勒觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。與最初的軌道分析一樣，他們必須考慮任何可能影響信號(hào)傳輸?shù)囊蛩?，包括地球的自轉(zhuǎn)、接收天線(xiàn)的位置以及地面和太陽(yáng)的氣象，還必須考慮探測(cè)器能夠發(fā)回可用于精確導(dǎo)航的信號(hào)的通信方式在過(guò)去的時(shí)期內(nèi)（“先驅(qū)者10”號(hào)是31年，“先驅(qū)者11”號(hào)是17年）發(fā)生的變化。通過(guò)他們的完整分析，維克多·托思和斯拉瓦·圖里謝夫發(fā)現(xiàn)，多普勒效應(yīng)數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)上與探測(cè)器恒定的減速保持一致，而且隨著時(shí)間的推移，其減速值與數(shù)據(jù)能夠更好地吻合。

如果減速效應(yīng)隨著時(shí)間的推移而逐漸減弱，他們推測(cè)，由放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器產(chǎn)生的逐漸衰減的熱量可能是造成這種異常的原因。

為了找到答案，他們邀請(qǐng)了美國(guó)航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的一組工程師，在經(jīng)驗(yàn)豐富的航天器熱性能建模專(zhuān)家加里·金塞拉的帶領(lǐng)下，構(gòu)建了“先驅(qū)者10”號(hào)和“先驅(qū)者11”號(hào)的精確熱模型。該團(tuán)隊(duì)最終構(gòu)建的幾何模型將每個(gè)探測(cè)器分成3300塊，并整合了有關(guān)探測(cè)器材料的熱性能的記錄。研究者使用這個(gè)模型來(lái)顯示熱量是如何在不同部位流動(dòng)和輻射的，并且根據(jù)這些結(jié)果，估計(jì)了“先驅(qū)者”號(hào)在飛行過(guò)程的不同時(shí)間里熱反沖力的大小。在將模型與“先驅(qū)者”號(hào)的溫度和電氣讀數(shù)對(duì)比后，研究者發(fā)現(xiàn)，探測(cè)器確實(shí)受到一定的熱反沖力，相當(dāng)于輻射超過(guò)60瓦的熱量產(chǎn)生的力。按地球的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，這個(gè)力非常小，大約與汽車(chē)遠(yuǎn)光燈發(fā)出的光子對(duì)汽車(chē)的反沖力差不多。研究者發(fā)現(xiàn)，一半的力來(lái)自放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器產(chǎn)生并從天線(xiàn)背面輻射出的熱量，另一半來(lái)自探測(cè)器中心電路的電熱。大部分熱量通過(guò)探測(cè)器背面的散熱窗輻射出去，而散熱窗未與其他部分良好隔熱，因此進(jìn)一步促進(jìn)了減速。

研究者還利用多普勒效應(yīng)數(shù)據(jù)計(jì)算了探測(cè)器的熱反沖力，即與探測(cè)器飛行軌跡相匹配所需的力。當(dāng)他們將這個(gè)獨(dú)立的估算與從探測(cè)器模型中得到的結(jié)果進(jìn)行比較時(shí)，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)值的匹配誤差在20%以?xún)?nèi)。考慮到其中的不確定性，可以認(rèn)為沒(méi)有統(tǒng)計(jì)上的明顯差異。在被發(fā)現(xiàn)30多年之后，研究者現(xiàn)在終于可以說(shuō)，“先驅(qū)者”號(hào)異常沒(méi)有奇特的原因：令人費(fèi)解的減速是由探測(cè)器產(chǎn)生的不對(duì)稱(chēng)散熱引起的。

對(duì)一些人來(lái)說(shuō)，關(guān)于這樣一個(gè)長(zhǎng)期存在的謎團(tuán)，這似乎是個(gè)令人失望的結(jié)論。但是，對(duì)這種異?，F(xiàn)象的解釋實(shí)際上鞏固了“先驅(qū)者10”號(hào)和“先驅(qū)者11”號(hào)的歷史地位。這兩個(gè)探測(cè)器完成了不太可能在短時(shí)間內(nèi)重復(fù)的任務(wù)：它們對(duì)愛(ài)因斯坦的重力理論做出了高精度驗(yàn)證；到達(dá)的距離是冥王星與太陽(yáng)之間距離的2倍；至今仍沒(méi)有其他探測(cè)器可用于這樣的測(cè)試（或出現(xiàn)這種微小的異常），后來(lái)的探測(cè)器或是過(guò)于依賴(lài)推進(jìn)器，或是沒(méi)有連續(xù)跟蹤，或是行程不夠遠(yuǎn)?！跋闰?qū)者10”號(hào)和“先驅(qū)者11”號(hào)仍然是迄今導(dǎo)航最精確的深空探測(cè)器，并可能在未來(lái)的許多年內(nèi)保持這個(gè)稱(chēng)號(hào)。

上述研究還說(shuō)明了保存數(shù)據(jù)的重要性。在“先驅(qū)者”號(hào)探測(cè)器的早期任務(wù)中，科學(xué)家和工程師通常認(rèn)為媒體比數(shù)據(jù)更有價(jià)值。許多人認(rèn)為，一旦“有用”的科學(xué)和技術(shù)信息被提取出來(lái)以后，原始數(shù)據(jù)就毫無(wú)價(jià)值了?，F(xiàn)在，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可能很便宜，但在數(shù)據(jù)保管方面，仍然存在目光短淺的危險(xiǎn)。研究者認(rèn)為，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都需要制訂明確的計(jì)劃，以確保原始觀測(cè)數(shù)據(jù)在未來(lái)數(shù)十年內(nèi)仍然可用和可讀。這很可能是研究人員解決下一個(gè)令人困惑的謎團(tuán)的唯一方法。