30 年之久的宇宙之谜“先驱者异常”或将最终得到解决

三十年前，NASA 的科学家注意到他们的两艘太空飞船先驱者 10 号和先驱者 11 号略微偏离了轨道，仿佛受到了某种神秘的未知力量的影响。1998 年，更广泛的科学界得知了这种偏离的风声——被称为先驱者异常——并对其进行了持续不断、令人难以置信的详细审查，自此之后，它已经上升到物理学界的崇拜地位。然而，现在，在催生了近 1000 篇学术论文、无数国际会议和许多整个科学生涯之后，这个备受喜爱的宇宙之谜可能即将解开。

加利福尼亚州帕萨迪纳喷气推进实验室 (JPL) 的科学家斯拉瓦·图里舍夫 (Slava Turyshev) 和加拿大软件开发人员维克多·托特 (Viktor Toth) 计划在未来几个月内公布他们对先驱者号异常现象的惊人全面新分析结果。他们的工作很可能为现代天体物理学中最长、最混乱的侦探故事之一画上句号。

美国宇航局于 1972 年春发射了先驱者 10 号，一年后又发射了先驱者 11 号。这两艘航天器的联合任务是收集有关小行星带、木星、土星（先驱者 11 号是土星）及其卫星的信息。当它们飞过这些天体时，探测器测量了它们大气和表面的未知特性；它们还首次近距离拍摄了木星大红斑和土星环。然后，在 20 世纪 70 年代中期完成“飞越”任务后，先驱者号继续飞行。这些探测器携带着相同的铭牌，上面刻着一男一女、氢原子跃迁以及我们星球在银河系中的位置——这是给外星人的信息——成为有史以来第一个冲出太阳系，进入难以想象的寒冷和黑暗星际空间的人造物体。

JPL 的科学家继续利用多普勒跟踪先驱者号进入深空。他们向两艘先驱者号发送和接收连续的无线电传输流，记录它们沿轨迹各处的速度。一位名叫约翰·安德森的天文学家领导了多普勒测距数据的分析。他和他的团队打算利用这些数据研究远离太阳和较大行星的巨大影响的外太阳系的微妙引力效应。例如，人们认为先驱者号可能会与低频引力波同步振荡。

当然，为了探测到航天器运动中的这些奇怪现象，科学家们首先需要确切地知道会发生什么；这需要构建一个真正令人震惊的复杂算法。预测的多普勒频移的因素包括：先驱者号在与太阳、行星、卫星、小行星带和彗星云的引力作斗争时经历的减速，它们的位置和引力场不断变化；太阳辐射对航天器的微小推力，随着航天器逐渐远离而减弱，也随着航天器角度的变化而变化；随着航天器距离地球越来越远，无线电波反射和地球接收之间的延迟时间增加；来自太阳的无线电波的引力；地球自转引起的无线电传输的额外频率偏移……等等。安德森将令人头疼的宇宙影响综合到一个算法中。但不幸的是它似乎没有起作用。

1980 年，他注意到根据他的算法预期收到的多普勒频移与来自航天器的实际测量无线电信号频移之间存在微小差异。它们的预期运动和实际运动并不完全匹配。当它们逆着太阳和行星的引力向外移动时，航天器当然会减速。但问题是它们的速度减慢了太多。根据算法，每年两艘航天器都比它们在各自路径上应有的位置晚了几百英里。当然，这对于太空旅行来说不算什么，但也不算小事。指向太阳的恒定额外加速度为 8.74 x 10-10 m/s2——比重力加速度小一百亿倍，但不可否认的是，它还是存在的。

安德森的第一反应是认为他的算法一定遗漏了什么。对航天器运动的某些微小影响一定没有被纳入数学组合中。经过几年的思考和讨论，他和他的团队得出结论，异常加速一定是由“排气”引起的——燃料从推进器滴落，滴落时对航天器产生反冲力。由于那时飞船已经在没有推进力的情况下穿越星际空间，科学家们认为燃料滴落很快就会停止，影响也会消失。但令人困惑的是，事实并非如此：在接下来的十年里，这艘航天器累计了数十亿英里的飞行里程——但比应该的少了数千英里。

1994 年，安德森突然收到一封电子邮件，发件人是新墨西哥州圣达菲附近洛斯阿拉莫斯国家实验室的宇宙学家迈克尔·马丁·涅托。涅托最近开始对牛顿引力平方反比定律的替代理论感兴趣，其中包括一种名为 MOND（修正牛顿动力学）的新理论，因此他联系了安德森，想知道 NASA 对基于他们对航天器运动的观察得出的引力强度有多大把握。安德森回复说，事实上，引力似乎对先驱者号不太管用。

当 Nieto 读出先驱者 10 号和 11 号经历的微小异常加速度的确切值时，他差点从椅子上摔下来。（用典型的物理学术语来说：“我的办公室地板很硬，我的电脑椅有轮子，所以当我弓起后背做出‘什么？’的反应时，椅子开始滚动。”）这是一个深刻的宇宙巧合：正如 Nieto 立刻注意到的那样，先驱者异常的值几乎恰好等于所谓的“宇宙加速度”——光速“c”乘以哈勃常数“H”——这表明异常的原因在于物理学的基础。

就在那时，尼托签约与安德森在喷气推进实验室合作，对先驱者号异常现象展开了重大调查，此后他的大部分精力都花在了研究上。为什么？“先驱者号异常可能是引力偏离平方反比关系的第一个证据，”他最近说。“这可能是巨大的。”

刚从莫斯科抵达喷气推进实验室的斯拉瓦·图里舍夫很快加入了安德森和涅托的行列。他们与另外三人一起对所有可用的先驱者多普勒数据进行了详细调查。与此同时，他们还检查了其他任务的数据，并发现了尤利西斯号和伽利略号轨迹存在异常的初步证据。[注：只有先驱者号、尤利西斯号和伽利略号可以自由漂浮。所有其他 NASA 航天器都是三轴稳定的：它们在三个方向上施加气体推力以保持自身在轨道上，这些修正可以消除运动中的任何微小偏差。在喷气推进实验室的科学家看来，所有四艘非三轴稳定的飞船都出现了偏差。 ] 1998 年，他们在《物理评论快报》上发表了一篇引人深思的文章，向全世界公布了他们的发现。

混乱随之而来。“1998 年是非常有趣的一年，因为就在我们公布先驱者号异常现象的同时，暗能量被发现了，”图里舍夫解释道。“所以我们基本上意识到宇宙加速是因为暗能量，人们欣喜若狂，说，‘看，我们在太阳系中看到了一些非常令人兴奋的东西，也许我们需要修改引力，那么所有这些都会消失，爱因斯坦和牛顿将被废黜。’”

毕竟，天体运动中的微小异常以前也曾导致物理学发生巨变。1915 年，著名的水星近日点“异常”进动帮助证明了爱因斯坦的广义相对论。1998 年，与这一历史先例的比较无疑提高了先驱者号异常的知名度，也提高了许多试图解释它的“局外人”理论的知名度。其中一个例子就是前面提到的 MOND，它假设引力在远离大质量物体的地方并不遵循平方反比定律，而是遵循一些略有不同的定律。自 1998 年以来发表的数百篇物理学论文声称 MOND 为先驱者号异常提供了可行的解释。

还有数百人假设，星系边缘弥漫着大量尚未被发现的“暗物质”，这可能会对先驱者号航天器施加摩擦阻力，使其速度减慢。

然而，另一群物理学家注意到了四年前涅托注意到的巧合，当时他差点从椅子上摔下来。在同时发现暗能量和宇宙加速膨胀的背景下，先驱者号异常值等于宇宙加速值似乎意义重大。科学家们认为，也许 NASA 多年来一直在测量宇宙空间的膨胀！

较为保守的物理学家非常正确地指出，如果暗物质或 MOND 导致航天器异常加速，那么它们也应该影响最外层行星的运动，但并没有观察到这种现象。在他们看来，先锋号的异常要么不存在（即 JPL 科学家误解了多普勒数据），要么是普通的旧设备故障造成的。最有可能的罪魁祸首被认为是航天器上的热辐射。

热异常？

先驱者号发电机内的钚在其功率达到峰值时每秒释放出 2,500 焦耳的热能。部分热量被转换成电能并驱动仪器。其余热量则直接辐射到太空中。如果由于某种机械原因导致发电机辐射出的热量不均匀，则辐射到某一方向的额外热量将产生不平衡的反冲力，导致航天器加速。事实上，正如物理学界迅速指出的那样，只要辐射到某一方向的热量比另一方向多 5%，就会产生足以解释先驱者号异常的反冲力。

喷气推进实验室团队注意到了这一点，在接下来的几年里调查了所有与热量有关的证据。2002 年，他们做出了裁决。热量：无罪。他们说，首先，随着发电机内部钚的衰变，它们释放的热量减少，因此如果热量是其原因，那么航天器的异常加速度也应该随着时间的推移而减小。但事实并非如此——它似乎是恒定的。其次，发电机位于长杆末端，距离航天器主体相当远。从这么远的距离，他们计算出，只有很少的热量会撞击航天器并产生反冲力——这个数量级太小，不足以引起观察到的效应。第三和第四，伽利略号和尤利西斯号提供了初步证据，这两艘飞船使用的动力系统与先驱者号大不相同。

他们的论据说服了大批物理学家，他们开始兴致勃勃地争夺爱因斯坦和他的非相对论助手牛顿的宝座。在德国、瑞士、美国和世界其他地方举行的会议和会议上，他们站在讲台上宣布这样的理论：这种异常实际上反映了宇宙时间本身的加速！这种异常表明爱因斯坦时空所依据的黎曼几何是不完整的！我们发现了一种新力量！太阳系正在膨胀！太阳系是一个全息图！弦理论维度正在拖拽宇宙飞船！激烈的思想争论——或者用维克多·托特的话来说，是“疯狂的猜测”——从那以后就没有平息过。

回到地球

维克多·托特的爱好包括老式电脑游戏、未解的数学和物理问题、数据处理、外太空和老式电子设备。先锋号异常现象正位于维恩图的中心，将所有这些联系起来，因此托特最终处于这个位置也就不足为奇了：身处异常现象的中心。托特从一开始就持怀疑态度，他首先使用家用电脑对公开的先锋号多普勒数据进行独立分析，以便亲自查看异常现象是否真的存在。（据大家所说，托特的数据处理技能非常出色，他似乎对其他人的数据处理技能都持礼貌的怀疑态度。“很多我称之为‘家庭作业’的东西都没有完成，”他说。）在构建了自己的天体影响算法、根据该算法处理数据并确认两者之间确实存在不和谐之后，他开始寻找原因——同样，他很少考虑过去的分析。

尤其是，他认为安德森及其团队在 2002 年完成的研究还不够彻底，该研究认为热效应不是导致异常的原因。“意识到从未对先驱者号航天器进行过适当、详​​细的热分析，这当然对我来说是一个巨大的激励，”他说。“我的意思是让我们做点什么，你知道吗？”

为了寻找更完整的数据集，托特开始与喷气推进实验室的图里舍夫通信。他们一致认为，需要对多普勒数据进行分析，其时间跨度要比之前分析的十年数据要长得多。图里舍夫解释说：“先驱者号在 70 年代通过穿孔卡发射升空。当时他们使用 Fortran，然后是 C，现在我们使用 C++，所以我们需要将所有旧数据转换为现代导航软件。”除了多普勒数据，他们还决定分析航天器的遥测数据，图里舍夫将其描述为“内部信息”，由覆盖每个先驱者号表面的 114 个传感器收集，并通过无线电通信传回地球。最重要的是，遥测数据包含整个任务期间每个航天器在每个时刻的温度信息。

那是 2005 年。托特从渥太华的家中开车前往艾姆斯研究中心，第一次见到图里舍夫，那里存储着所有的旧数据。当他们到达时，发现大楼入口外停着大型垃圾箱。所有 30 多年的先锋多普勒数据和相应的日志将在两周内被丢弃。当时，艾姆斯研究中心的资金非常有限，无法承担存档任何数据的费用。“当我们意识到情况如此糟糕时，我们大喊大叫、手舞足蹈、微笑欢呼，这一切让我们获得了一些资金，让艾姆斯研究中心的人能够存档所有材料和所有项目信息，”图里舍夫回忆道。“这非常令人兴奋。”至于遥测数据，当时大部分数据早已从艾姆斯研究中心消失了，但幸运的是，一位名叫拉里·凯洛格的退休先锋任务控制工程师恰好保存了所有数据。为了有朝一日能够建立先锋号任务的计算机模拟并将它们传输到网上，他在退休并离开艾姆斯研究中心之前将所有旧文件复制到笔记本电脑上。当日志被扔掉时，一位前同事将它们从垃圾箱中挖出并寄给了凯洛格。凯洛格在艾姆斯研究中心停车场与托特和图里舍夫会面，并把所有东西都交给了他。

然后他们开始认真工作。图里舍夫对托特对他和 JPL 团队之前所做的分析的批评有何感想？他似乎同意他们犯了错误。“如果我们在 2002 年就知道今天所知道的事情，我们就会以略有不同的方式进行分析，”他评论道。“与此同时，人们花了数年时间研究这个问题。现在，我感到有责任结束这一切。”

五年过去了。利用遥测数据，两位科学家为每艘先锋号航天器创建了一个极其复杂的“有限元”三维计算机模型，其中在 30 年的任务期间，航天器表面 10 万个位置的热性能被独立跟踪。他们知道航天器表面热传导的所有信息，以及随着发电机功率的降低，热流和温度随时间下降的方式。遥测分析的结果是什么？“热反冲力占加速度的一部分，”图里舍夫说。他们不会告诉我这部分有多重要。 （图里舍夫：“我们希望将其发表在科学文献中。”）但托特表示，“你可以确信，在考虑了热加速度之后，异常值最多会比标准值 8.74 x 10-10 米/秒2 小得多，然后，请注意，人们谈论的所有那些美妙的数值巧合都会被摧毁。”

但热模拟的结果并非孤立存在；毕竟，它们表明热加速度会随时间下降，而过去人们一直认为先驱者号的异常现象是恒定的。模拟必须与多普勒跟踪数据及时匹配，而对多普勒跟踪数据的分析尚未完成。多年来的多次转换严重损坏了多普勒文件，读取它们花了两年时间。他们花了更多时间找到一些关键的日志（在另一位退休任务控制人员的纪念品中找到）。他们还花了更多时间来解释 30 年来的地震如何改变了接收先驱者号多普勒数据的天线的位置。对数据的实际分析终于在一年前开始，托特和图里舍夫预计将在大约六个月内发表他们的结果。

我要求先睹为快。“虽然恒定加速度的理念是一个有效的模型，但我们开始发现，如果我们假设存在某种衰减，即加速度会随着时间的推移而略微衰减，那么它同样有效，甚至更好，”托特说。此外，他告诉我，他和图里舍夫一直在重新探讨异常加速度指向哪个方向的问题。它可能并不是像人们一直认为的那样朝向太阳。非朝向太阳的加速度表明不是引力引起的。“我们的结果非常具有启发性，但我想等到我们完全完成后再说更多。有一群物理学家对先驱者号的异常现象很感兴趣，我已经非常清楚这件事有多么敏感。”

经过几十年的思考、争论、希望，以及用图里舍夫的话来说，“以此为业”，这些科学家对先驱者号异常现象的兴趣自然而然地积累了心理负担；对他们中的许多人来说，在客观科学探究的核心周围形成了一层情感投入的云。而云遮蔽了事物。

“先驱者号的异常是否只是由飞船引起的？如果你只是宣布这一点，就会得到各种各样的感受，”抢救遥测数据的工程师拉里·凯洛格说。“这就是为什么维克多和斯拉瓦现在对他们所说的话非常谨慎。如果他们真的到了说‘我们已经毫无疑问地证明了飞船只是在升温并向后推’的地步，那么你可以打赌，所有曾经说过这些话的人都会说些别的话。”

对于涅托来说，他坚定地站在“曾经说过什么的人”的行列中，情况就是这样。“我鼓励他们的工作，”他说，“但我对结果持怀疑态度。当然，他们也不会完全确定。我们可能会永远争论不休。”

其他物理学家则更加激进。“热量？这根本不是正确的解释。他们错了，”华盛顿的独立研究员约翰·马斯雷利兹 (Johan Masreliez) 评论道。他支持宇宙学的膨胀时空模型，对于该模型来说，先驱者号异常值等于 c 乘以 H 至关重要。“但我有偏见，”他补充道。

4 月，Turyshev 和 Toth 在 Arxiv.org 上发表了一篇长达 165 页的综合评论文章，简称为“先驱异常”，为他们即将发表的重新分析奠定基础。评论以两个显然具有相关性的历史轶事开篇。一个是水星近日点异常进动的故事，60 年后，这颗种子开花结果，发展成为爱因斯坦的广义相对论，并结束了物理学。另一个是关于天体运动的鲜为人知的故事。19 世纪初，天文学家注意到遥远的天王星有一条奇怪的轨道；它偏离了牛顿引力为它规定的路径。“一些著名的天文学家认为，牛顿定律也许在距离太阳很远的地方不成立，”Toth 和 Turyshev 写道。这种猜测一直持续到 1846 年，当时人们在天王星轨道需要扰动的地方发现了另一颗遥远的行星。那颗行星就是海王星，而“牛顿定律是可靠的”。

尽管图里舍夫和托特的结果不可能像新行星那样坚如磐石，但从实际情况来看，他们自己已经确信异常是由热力引起的，牛顿定律是神圣的。“让我告诉你，”当我恳求图里舍夫提供有关分析的细节时，他说。“我们所知道的物理学很有效。”

注意：正如一些读者指出的那样，本周我们发表了另一篇文章，承认旅行者 1 号是第一艘离开太阳系的航天器，而这篇文章则将这一荣誉授予了先驱者 10 号。需要澄清的是，这里“离开太阳系”有两种定义。先驱者 10 号于 1983 年越过冥王星轨道，因此从这个意义上说，它离开了太阳系。虽然旅行者号是在先驱者号之后发射的，但它们的飞行速度更快，因此在 20 世纪 90 年代超过了先驱者号。旅行者 1 号刚刚到达太阳系的另一个边界——日光层的边缘。