破解“先鋒異變” 謎之

■劉遠

為了探索小行星帶、木星、土星以及它們各自的衛星，同時為實施其他一系列太空探測任務，1972年和1973年，美國航空航天局分別發射了“先鋒10”號和“先鋒11”號宇宙飛船。

上述任務在這兩艘飛船升空幾年后就基本完成，但這兩個意氣風發的小先鋒繼續勇往直前，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力實驗室的科學家通過多普勒無線電傳輸，一直在追蹤它們的進程。

1980年，噴氣動力實驗室的天文學家約翰·安德森首次注意到“先鋒異變”，由此引發了一場有關這一異變的大爭論。當時，安德森創建了一個非常復雜的算法，他和同事借此可以運用無線電傳輸數據來研究太陽系邊緣的引力效應。

然而，安德森注意到，由他的算法預測的多普勒頻移與測量到的實際頻移間存在很小的偏差。雖然這個偏差不到引力效應的1/1010，但安德森經過再三復核，發現它確實存在。

那么，是什么原因導致了這一偏差呢？科學家提出了多種理論。其中最受歡迎的一種假設是：盡管尚未被直接觀測到，但宇宙中確實游蕩著巨量暗物質，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年來不少學者倡導的“修正牛頓力學”。和暗能量一樣，“修正牛頓力學”也是對宇宙膨脹正在加速這個事實的解釋之一。1994年，這一假設看來得到了強有力的支持：美國洛斯阿拉莫斯實驗室的宇宙學家邁克爾·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的首個證據。

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”發動機內的钚會釋放熱量，其中一部分轉化為電能，余下的輻射進太空。假如這種輻射不均衡，哪怕差異只有5%，也足以導致“先鋒異變”。

雖然以熱量為基礎的解釋缺乏“激動人心的新物理學”鋒芒，但假如暗物質或“修正牛頓力學”是導致“先鋒異變”的真正原因，那么最接近太陽系邊緣的行星運動也應該受到影響，然而迄今沒有任何觀測數據支持這一點。不幸的是，假如熱量真的是元兇，那么隨著時間推移，這種效應就會逐漸消失，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點。

最近，對“先鋒異變”之謎的探索終于取得一系列新進展。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力實驗室的科學家斯拉瓦·圖里謝夫2010年4月發表論文稱，“先鋒異變”的元兇事實上最可能就是熱量。利用遙測技術所得的數據，這兩位科學家為兩艘“先鋒”號飛船分別創建了極為精細的“有限元素”三維電腦模型。在模擬中，飛船表面100 000個位置的熱特性在30年的任務期中被獨立追蹤，由此了解飛船表面的熱傳導以及熱流和溫度隨著飛船發動機能量減少而下降的情況。遙測分析結果表明，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。

故事到此并未結束。同樣是在2010年，意大利天文學家洛倫佐·伊奧里奧指出，根據他對海王星三顆衛星軌道的分析結果，“先鋒異變”不可能是由“修正引力”導致的，因為三顆海衛都未受到類似的引力擾動。

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

補色渲染技術發明于20世紀70年代，目前廣泛應用于模擬三維空間的反射情況。這種技術原本的研發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現它也很適用于模擬紅外光。尤其值得一提的是，運用補色渲染，弗朗西斯科等人首次模擬了“先鋒”號飛船主設備艙的熱量散發效應，結果發現來自這個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。模擬發現，一旦修正了這個情況，“先鋒異變”就立即消失。由此，弗朗西斯科等人認為“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。不少科學家不完全信服“先鋒異變”的熱量解釋，預計在今后的至少幾年內，這方面的爭論還將繼續，弗朗西斯科等人的計算結果將可能被推翻，新的計算結果將可能被公布。只有經過最嚴格的科學審視，我們才能真正說“先鋒異變”的謎底已經揭開。事實上，任何科學發現要被最終證實，這都是之前最重要的一步。