了解太空中目標天體的精確位置有多難？

在20世紀60年代的早期太空競賽中，如果是以宇宙飛船導航所需的精確度而論，美國和蘇聯的科學家實際都不清楚火星、金星等行星的具體位置。這聽起來有點可笑。當然，當宇宙飛船到達這些行星附近時，他們還是能大致知道目標會在哪里。但是，這里的“大致”可能意味著1萬或10萬公里的偏移量。行星的位置，即它們的星歷表，依賴于以極高精度對其軌道隨時間推移的變化情況進行校準。但唯一合理的方法是直接測量，就像古代的水手需要沿著島嶼或海岸線航行，以便確定緯度和經度一樣。

關于這個問題，一個很不體面的例子發生在1961年初。從蘇聯發射金星1號（Venera 1）探測器開始，人類向金星發射探測器的計劃便拉開了序幕。蘇聯和美國科學家都希望能最早確定金星的位置，并以此來精確計算天文單位——當時被定義為地球中心與太陽中心之間的平均距離。在地球上，可以通過測量從金星上反射的雷達信號來確定距離。幾個月后，蘇聯人自豪地宣布了基于金星的天文單位測量改進方法，但美國人很快發現，這與他們自己的雷達測量結果相差約10萬公里。美國人興高采烈地嘲笑蘇聯人，說他們可能發現了一顆新的行星。

回想起來，這臺蘇聯探測器——原本計劃在測距結果宣布的時候飛掠金星——之前已經經歷了一系列的挫折，包括失敗的熱控制和姿態控制失靈。盡管它可能確實經過了金星附近的某個位置，但我們永遠也無法確切知道它與該標記位置的距離，因為在那一點上，地球與探測器的所有通訊都停止了。

錯誤認定金星的位置可能會帶來災難性的后果。金星1號探測器可能因為偏離太多而無法獲得任何有用的數據，它也可能直接撞向行星，造成不光彩的墜毀。可以想見，在這些慘痛的教訓之后，科學家們會多么努力地確定太陽系天體的位置，與之相關星歷表也編制得越來越厚，越來越精確。然而，即使有了長足的進步，精確定位航天器及其行星目標所面臨的基本問題仍未完全解決。在某種意義上，問題反而愈加尖銳。

如今，位于美國加利福尼亞州的美國航空航天局（NASA）噴氣推進實驗室是星歷表的主要編制機構之一，提供了精心編寫并不斷更新的數據，幫助我們確定行星、衛星、彗星、流星群和小行星的位置。這就像農民所用的年歷，只不過是用于行星探索。然而，隨著探索范圍越來越遠，我們的目標越來越新奇，我們所面臨的挑戰也越來越大。

已經有機構在草擬一項雄心勃勃的計劃，希望利用強大的激光，推動帶有輕型帆的微型“納米飛船”（nanocraft），一路航行到南門二（半人馬座α）恒星系統。該系統距離地球超過4光年，如果以20%的光速（約每小時2.16億公里）前進，需要花費至少20年的時間。在正確的時間到達另一個恒星系統的正確位置，這個問題遠比到達遙遠的太陽系邊緣星球（如冥王星）復雜得多，雖然前往冥王星就已經夠困難的了。

2006年，NASA的“新視野號”探測器以破紀錄的速度發射，在9年多的時間里飛到冥王星附近（在木星引力幫助下），飛行距離近50億公里。利用地球上的望遠鏡觀測，以及對冥王星的軌道運動進行精細的計算機模擬，我們可以確定該探測器在天空中的位置，精確度可達約0.00014度角。然而，冥王星太過遙遠，如此微小的不確定性也會導致約13000公里的位置誤差，足以嚴重阻礙近距離飛掠任務。更加復雜的是，新視野號在軌道上經歷了難以預測的漂移，這是钚發電機產生的不均勻熱輻射所導致的。

新視野號終于在2015年7月與冥王星相遇，這讓那些在發射之后等待了相當長一段時間的科學家們松了一口氣。它以12500公里的距離飛掠冥王星。最后，為了快速掠過冥王星及其衛星，新視野號在接近正確路徑的任何地方都要進行細致的位置測量，并使用探測器自帶的相機進行航向修正。這一過程需要極大的耐心。

現在，讓我們來比較一下冥王星與距離太陽最近的恒星——比鄰星（Proxima）。比鄰星位于半人馬座，是半人馬座α三合星的第三顆星，以每秒約32.19公里的速度相對太陽運動。不過，每秒0.01公里的最小有效數字，意味著在為期20年、600多萬公里的任務中會累積相當大的位置不確定性。這還是恒星，一個明亮的、比較容易研究的天體，而恒星系統中的行星亮度會下降10億倍，其位置也更加難以確定。與新視野號一樣，星際探測器很可能不得不隨時跟蹤自己的目標，并且必須自主完成，因為與地球的來回通信就需要數年的時間。

至于微型航天器能否攜帶必要的計算工具，或者是否具備追蹤目標所需的感知和操縱能力，還有待觀察。明亮的恒星本身可能就是最好的標記，可以和太陽一起作為導航燈塔。從激光二極管發射的微弱脈沖可以提供調整方向的推力，但更關鍵的是，數百甚至數千臺具有人工智能的納米飛船在發射之后，每一臺都具有相互學習的能力，或許可以通過大規模冗余和犧牲多數來達到時間和空間目標。然而，當你試圖用一顆子彈去攔截另一顆飛來的子彈時——無論是恒星還是行星，差錯可能是在所難免的。

不難發現，在數千或數百萬公里的范圍內，位置的不確定性可能會給太空探險者帶來麻煩。但奇怪的是，繞軌道運行的恒星和行星具有一些基本的物理學屬性，這些屬性取決于非常小的位置不確定性，并且可以毫不含糊地決定整個系統的生存。究其根源，在于引力物體之間的動力混亂現象，以及混亂但數學上可繪制的不穩定性，還有天體運動的不可預測性。盡管科學家自19世紀80年代就發現了混沌現象，但直到20世紀80年代，研究人員才開發出專門用途的計算機，以精確模擬太陽系中行星受引力驅動的運動。這些模擬揭示了我們生活在一個多么混亂的空間中。

結果表明，如果在數千萬年到數十億年的時間里追蹤太陽系內物體的運動，諸如水星這樣的行星位置出現毫米級的變化，也會產生很大的影響：未來的軌道可能相對平淡無奇，但也可能使內太陽系變得不穩定，行星被甩向太陽，或者逃逸到星際空間的軌道上，甚至將兩顆行星置于相互碰撞的軌道上。

如此微小的變化會導致如此截然不同的結果，這讓許多希望世界具有某種可預測性的人無法接受。這就說到了人類作為一個物種，似乎一直在努力想要做到的一些事情。我們很希望所謂的現實是固定不變的，或者至少不是變幻莫測的。但現實很少如此。

在將航天器發射到其他行星，甚至其他恒星的過程中，我們別無選擇，只能承認目前的這種不精確性?，F實就是如此殘酷，我們對外太空的了解太有限了。甚至自然定律都是基于全然不完美的測量得出的推論，無論是行星軌道和引力，還是代數的邏輯和符號處理——后者是通過人腦和人腦開發的機器來“測量”的。令人驚奇的是，這些定律能夠很好地模擬和預測物理世界的各個方面，幾千年來一直在幫助我們，并使我們感到安心。今天，我們似乎已經設法扭轉了這個問題，可以預測自然中可能發生的各種混沌，從不穩定的天氣條件到不穩定的股票市場，當然還有行星。

這就是為什么誠實面對局限性是一件美好的事情，因為我們能因此找到跨越空間、時間并理解界限性的方法。20世紀60年代的火箭科學家們試圖掌握金星和其他行星的位置，他們甚至都沒有意識到，自己在某些方面已經成為先驅。他們不僅是在穿越虛無的太空，試圖確定幾乎不可能定位的天體，更是在認識現實本身的根本性質。