破解“先锋异变” 谜之

■刘远

为了探索小行星带、木星、土星以及它们各自的卫星，同时为实施其他一系列太空探测任务，1972年和1973年，美国航空航天局分别发射了“先锋10”号和“先锋11”号宇宙飞船。

上述任务在这两艘飞船升空几年后就基本完成，但这两个意气风发的小先锋继续勇往直前，目前已快要彻底飞出太阳系，一路搭载着带给可能会遇到的外星人的信息。在这两艘“先锋”的飞行过程中，美国航空航天局喷气动力实验室的科学家通过多普勒无线电传输，一直在追踪它们的进程。

1980年，喷气动力实验室的天文学家约翰·安德森首次注意到“先锋异变”，由此引发了一场有关这一异变的大争论。当时，安德森创建了一个非常复杂的算法，他和同事借此可以运用无线电传输数据来研究太阳系边缘的引力效应。

然而，安德森注意到，由他的算法预测的多普勒频移与测量到的实际频移间存在很小的偏差。虽然这个偏差不到引力效应的1/1010，但安德森经过再三复核，发现它确实存在。

那么，是什么原因导致了这一偏差呢？科学家提出了多种理论。其中最受欢迎的一种假设是：尽管尚未被直接观测到，但宇宙中确实游荡着巨量暗物质，它们对“先锋”施加了少量的额外拖曳力，使得飞船减速。

第二种可能的解释是：引力并不遵循伊萨克·牛顿的平方反比定律，而是遵从过去10年～15年来不少学者倡导的“修正牛顿力学”。和暗能量一样，“修正牛顿力学”也是对宇宙膨胀正在加速这个事实的解释之一。1994年，这一假设看来得到了强有力的支持：美国洛斯阿拉莫斯实验室的宇宙学家迈克尔·马丁·涅托注意到，“先锋”的偏差值几乎与宇宙加速值完全一样。对于涅托等人来说，“先锋异变”是引力偏离牛顿力学的首个证据。

还有一种比较平凡的解释是：“先锋异变”的元凶可能只是热量。具体而言，两艘“先锋”发动机内的钚会释放热量，其中一部分转化为电能，余下的辐射进太空。假如这种辐射不均衡，哪怕差异只有5%，也足以导致“先锋异变”。

虽然以热量为基础的解释缺乏“激动人心的新物理学”锋芒，但假如暗物质或“修正牛顿力学”是导致“先锋异变”的真正原因，那么最接近太阳系边缘的行星运动也应该受到影响，然而迄今没有任何观测数据支持这一点。不幸的是，假如热量真的是元凶，那么随着时间推移，这种效应就会逐渐消失，但情况却并非如此。这样一来，“先锋异变”之谜就又回到了出发点。

最近，对“先锋异变”之谜的探索终于取得一系列新进展。首先，加拿大软件专家维克多·托斯和美国航空航天局喷气动力实验室的科学家斯拉瓦·图里谢夫2010年4月发表论文称，“先锋异变”的元凶事实上最可能就是热量。利用遥测技术所得的数据，这两位科学家为两艘“先锋”号飞船分别创建了极为精细的“有限元素”三维电脑模型。在模拟中，飞船表面100 000个位置的热特性在30年的任务期中被独立追踪，由此了解飞船表面的热传导以及热流和温度随着飞船发动机能量减少而下降的情况。遥测分析结果表明，热反冲力是“先锋异变”的主要原因，所谓“‘先锋异变’几乎与宇宙加速值完全匹配”的说法根本就是子虚乌有。

故事到此并未结束。同样是在2010年，意大利天文学家洛伦佐·伊奥里奥指出，根据他对海王星三颗卫星轨道的分析结果，“先锋异变”不可能是由“修正引力”导致的，因为三颗海卫都未受到类似的引力扰动。

不久前，葡萄牙等离子体及核聚变研究所的科学家弗德里科·弗朗西斯科及其同事指出，原来那些认为热量不可能是“先锋异变”原因的计算实际上都错了。弗朗西斯科等人对这些计算都进行了重算，重算中不仅考虑到了热量散发的方式，而且考虑到了热量从飞船不同部位反射的可能性。以往的计算只估计了反射的效应，而弗朗西斯科等人运用一种被称为“补色渲染”的电脑模拟技术，精确算出了热量反射的方式和停止穿行的方向。

补色渲染技术发明于20世纪70年代，目前广泛应用于模拟三维空间的反射情况。这种技术原本的研发目的是模拟来自三维物体的可见光反射，但弗朗西斯科等人发现它也很适用于模拟红外光。尤其值得一提的是，运用补色渲染，弗朗西斯科等人首次模拟了“先锋”号飞船主设备舱的热量散发效应，结果发现来自这个舱后壁的热量被飞船天线背面反射，由于天线指向太阳方向，其背部的反射就易于让飞船减速。模拟发现，一旦修正了这个情况，“先锋异变”就立即消失。由此，弗朗西斯科等人认为“先锋异变”之谜已彻底破解。

可是，故事至此是否真的就讲完了呢？不见得。不少科学家不完全信服“先锋异变”的热量解释，预计在今后的至少几年内，这方面的争论还将继续，弗朗西斯科等人的计算结果将可能被推翻，新的计算结果将可能被公布。只有经过最严格的科学审视，我们才能真正说“先锋异变”的谜底已经揭开。事实上，任何科学发现要被最终证实，这都是之前最重要的一步。